一種干涉型光纖加速度計探頭及光纖加速度計系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種加速度計，特別是一種干涉型光纖加速度計探頭及光纖加速度計 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 干涉型光纖加速度計是基于光學(xué)信號檢測位移原理的新型加速度計。相比于傳統(tǒng) 的機(jī)械式加速度計，具有體積小、重量輕、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾的優(yōu)點。在組成全光纖慣 性系統(tǒng)方面具有重要的應(yīng)用前景，還可以用于地震監(jiān)測、安防預(yù)警以及橋梁等結(jié)構(gòu)的健康 監(jiān)測。
[0003] 現(xiàn)有干涉型光纖加速度計采用簡單金屬片作為彈性膜片的結(jié)構(gòu)，設(shè)計簡單，靈敏 度較低；而表面加工有圓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性膜片，其每個圓環(huán)上只有一個對稱軸，平面對稱性 較差，影響加速度值的精確測量。且現(xiàn)有的解調(diào)方法多采用相位生成載波技術(shù)，通過對干涉 信號的調(diào)制和解調(diào)實現(xiàn)對加速度值的測定，該解調(diào)方法復(fù)雜，需要借助外部信號調(diào)制，不利 于多維加速度計的集成化和系統(tǒng)的小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種干涉型光纖加速度計探頭 及光纖加速度計系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
[0006] -種干涉型光纖加速度計探頭，包括外殼、壓板、固定底座、光纖夾具、反射鏡、上 質(zhì)量塊、彈性膜片，下質(zhì)量塊、配重金屬塊和光纖頭；其中上質(zhì)量塊和下質(zhì)量塊開有固定槽， 對稱的固定在彈性膜片兩側(cè)，反射鏡固定在上質(zhì)量塊的固定槽內(nèi)，配重金屬塊固定在下質(zhì) 量塊的固定槽內(nèi)，壓板放在彈性膜片上，與固定底座連接；外殼與固定底座連接把上質(zhì)量 塊、下質(zhì)量塊、彈性膜片、壓板密封其中，光纖夾具固定在外殼上。
[0007] 在上述的一種干涉型光纖加速度計探頭，所述的干涉型光纖加速度計探頭采用外 腔式法布里-珀羅干涉儀作為敏感元件。
[0008] 在上述的一種干涉型光纖加速度計探頭，所述光纖頭為跳線插頭，表面為氧化鋯 陶瓷材料，光纖頭固定在光纖夾具內(nèi)，并通過光纖夾具中心通孔進(jìn)入外殼，光纖頭與反射鏡 組成干涉腔，腔長為400-800um。
[0009] 在上述的一種干涉型光纖加速度計探頭，所述彈性膜片采用激光刻蝕的方式加工 兩圈花瓣狀分布的弧形陣列，彈性膜片厚度為80-120um。
[0010] 在上述的一種干涉型光纖加速度計探頭，所述反射鏡表面鍍銀，反射率為 95% -99%。
[0011] -種干涉型光纖加速度計系統(tǒng)，包含權(quán)利要求1所述的干涉型光纖加速度計探 頭，還包括寬譜光源、輸入光纖、2 X 1親合器、傳輸光纖、輸出光纖、光譜檢測模塊和信號米 集與處理系統(tǒng)；
[0012] 寬譜光源：發(fā)出光信號并將光信號傳輸至2X 1親合器；
[0013] 2X1耦合器：接收來自寬譜光源的光信號并進(jìn)行耦合處理，將其中一路光信號傳 輸至光纖加速度計探頭；接收來自光纖加速度計探頭的雙光束干涉信號并進(jìn)行耦合處理， 將其中一路雙光束干涉光信號傳輸至光譜檢測模塊；
[0014]光譜檢測模塊：其衍射光柵在空間上將來自2X 1耦合器的雙光束干涉信號展開， 并由光電探測器陣列將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，獲得白光干涉光譜信號，發(fā)送給信號采集與 處理系統(tǒng)；
[0015] 信號采集與處理系統(tǒng)：包括FPGA、A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字信號處理器DSP，F(xiàn)PGA控制 A/D轉(zhuǎn)換器對白光干涉光譜信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過FPGA的預(yù)處理后傳送給數(shù)字信號處理 器DSP，根據(jù)譜峰級次的變化測出干涉腔長值，通過預(yù)先標(biāo)定的腔長-加速度對應(yīng)關(guān)系解調(diào) 出待側(cè)加速度的值；
[0016] 干涉型光纖加速度計探頭：接收由2X1耦合器發(fā)出的耦合處理后的光信號，并進(jìn) 行雙光束干涉處理，將得到的雙光束干涉信號返回至2X 1耦合器。
[0017] 在上述的一種干涉型光纖加速度計系統(tǒng)，還包括輸入光纖、傳輸光纖和輸出光纖； 來自寬譜光源發(fā)出的光信號經(jīng)輸入光纖傳輸至2X 1耦合器，光信號經(jīng)耦合處理后通過傳 輸光纖傳輸至光纖加速度計探頭進(jìn)行雙光束干涉處理，獲得的雙光束干涉信號經(jīng)傳輸光纖 傳輸至2X 1親合器；經(jīng)2X 1親合器親合處理后的雙光束干涉信號經(jīng)輸出光纖傳輸至光譜 檢測模塊。
[0018] 在上述的一種干涉型光纖加速度計系統(tǒng)，所述干涉型光纖加速度計探頭進(jìn)行雙光 束干涉處理的具體方法為：光纖頭端面和反射鏡平行位于光纖加速度計探頭的內(nèi)部，來自 寬譜光源發(fā)出的光信號傳輸至光纖加速度計探頭先經(jīng)過光纖頭，得到一路反射光信號和一 路透射光信號，透射光信號經(jīng)過反射鏡得到另一路反射光信號，兩路反射信號發(fā)生雙光束 干涉，形成雙光束干涉信號。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：
[0020] (1)本發(fā)明設(shè)計了一種干涉型光纖加速度計探頭，采用激光刻蝕的方式在彈性膜 片上加工兩圈花瓣狀分布的弧形陣列，使其成為雙漸開線式彈簧膜片結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是軸向 可變位移量大，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的量程和較高的靈敏度。同時其平面對稱性好，可以減小來自 垂直于輸入軸方向的交叉串?dāng)_，提高加速度計的測量精度。
[0021] (2)、本發(fā)明設(shè)計了一種干涉型光纖加速度計探頭，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、 容易加工、易于加速度計的多維應(yīng)用。
[0022] (3)、本發(fā)明設(shè)計了一種干涉型光纖加速度計系統(tǒng)，基于白光干涉測量技術(shù)，無需 外部信號的調(diào)制，解調(diào)方法簡單，可直接根據(jù)信號光譜的變化解調(diào)出腔長的絕對值，得出待 測加速度值。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明一種干涉型光纖加速度計探頭的正視圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明一種干涉型光纖加速度計探頭的俯視圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明一種干涉型光纖加速度計探頭的內(nèi)視圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明一種干涉型光纖加速度計探頭的彈性膜片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明種干涉型光纖加速度計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
[0029] 如圖1所示為本發(fā)明一種干涉型光纖加速度計探頭的正視圖，如圖所示，干涉型 光纖加速度計探頭包括外殼1、壓板2、固定底座3、光纖夾具4、反射鏡5、上質(zhì)量塊6、彈性 膜片7,下質(zhì)量塊8、配重金屬塊9和光纖頭10,并采用外腔式法布里-珀羅干涉儀作為敏感 元件；其中兩個質(zhì)量塊6、8上均開有固定槽，且上下對稱的固定在彈性膜片7兩側(cè)，反射鏡 5固定在上質(zhì)量塊6的固定槽內(nèi)，配重金屬塊9對稱的固定在下質(zhì)量塊8的槽內(nèi)，壓板2放 在彈性膜片7上，用螺釘與固定底座3連接，使彈性膜片7中心圓形區(qū)域懸空，外殼1與固 定底座3連接把上質(zhì)量塊6、彈性膜片7、下質(zhì)量快8密封其中。光纖夾具4固定在外殼1 中心的安裝孔內(nèi)，光纖頭10為跳線插頭，表面為氧化鋯陶瓷材料，光纖頭10固定在光纖夾 具4內(nèi)，并通過光纖夾具4中心通孔進(jìn)入外殼1，光纖頭10與反射鏡5組成干涉腔。
[0030] 如圖2所示為本發(fā)明一種干涉型光纖加速度計探頭的俯視圖，如圖所示，外殼1與 固定底座3連接把質(zhì)量塊6和8、彈性膜片7、壓板2密封其中，光纖夾具4固定在外殼中心 的安裝孔內(nèi)。具體安裝過程為：上質(zhì)量塊6下部設(shè)計有圓形突起，通過彈性膜片7中心的安 裝孔嵌入下質(zhì)量塊8的中央凹陷，預(yù)先已在各接觸面之間涂有環(huán)氧樹脂，固定好之后放在 加熱臺上加熱半小時，然后分別將下表面涂有環(huán)氧樹脂的反射鏡5和配重金屬塊9放在上、 下質(zhì)量塊6、8的固定槽中加熱固化。壓板放在彈性膜片7上，通過四個角上的螺紋孔將彈 性膜片7固定在固定底座3上，使得固定有質(zhì)量塊6、8的彈性膜片7中心圓形區(qū)域懸空，