[发明专利]一种全光纤加速度测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种全光纤加速度测量装置及方法，该装置包括：半导体激光器、光纤环行器、光纤准直器、两个光纤耦合器、声光移频器、光纤延迟线和光电探测器。半导体激光器输出端接入光纤环行器端口，光纤环行器端口与光纤准直器相连，光纤环行器的端口接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的一个输出端与声光移频器输入端连接，另一个输出端与光纤延迟线输入端连接，声光移频器与光纤延迟线的输出端通过另一个光纤耦合器接到光电探测器。本发明可实现非接触高精度可判向的加速度测量。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种全光纤加速度测量装置及方法。

背景技术

加速度传感器是一种测量物体加速度的传感元件，在工业、科研、国防等领域内有着广泛而重要的应用价值。其中，光纤加速度传感器，由于体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、动态范围大等潜在优势，日益受到学术界与产业界的重视。

目前的光纤加速度传感器主要有光纤法布里-珀罗加速度传感器、光纤布拉格光栅加速度传感器、迈克尔逊干涉型加速度传感器、马赫-增德尔干涉性加速度传感器，这些光纤加速度传感器均需要安装于目标物体表面，并配合使用一定形式的质量块和机械弹性结构，才能够实现对目标物体加速度的测量。其基本测量方法是利用弹性元件和质量块将外界加速度转化为位移、速度或应变，再将位移、速度或者应变传导到传感光纤上，使传感光纤中信号的相位、光强、波长等参量发生变化，通过解调光学参量的变化，获取外界的加速度。

质量块和机械弹性结构的使用无意增加了光纤加速度传感器的复杂程度，并且使得这些光纤加速度传感器必须与目标物体一起运动才能够实现目标物体加速度的测量，这无意限制了光纤加速度传感器的使用范围。

将激光多普勒效应用于物体加速度的测量，则可以实现非接触式的加速度传感，使得对加速度测量的灵活性及应用范围大大增加，而传统的激光多普勒加速度测量装置由于使用分立式器件及空间光路，存在系统庞大、易受环境因素影响等问题。专利号为2010101128841的专利文件中，结合激光多普勒效应给出了一种非接触速度及加速度测量方法，不过对于加速度的获取，该方法需要先进行速度测量，然后由前后两个时刻的速度测量值计算出加速度。该方法对加速度的测量为间接方式，因此其准确性与实时性都会受到影响。

发明内容

针对现有光纤加速度传感技术的不足，本发明结合激光多普勒加速度测量技术，提出了一种多功能全光纤加速度测量装置及方法，此装置可以直接测量运动物体的加速度并判别其方向。

本发明的技术方案如下：一种多功能全光纤加速度测量装置，其特征在于：包括半导体激光器、光纤环行器、光纤准直器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光移频器、光纤延迟线(7)和光电探测器；半导体激光器输出端接到光纤环行器的1端口，光纤环行器的2端口接光纤准直器，光纤环行器的端口3与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的输出端和第二光纤耦合器的输入端之间并联设置有声光移频器和光纤延迟线，第二光纤耦合器的输出端接光电探测器。

所述的光纤延迟线为一段固定延时的单模光纤。

所述的一种全光纤可判向加速度测量方法，由目标物体运动表面漫反射或镜面反射回的反射光，由光纤准直器耦合回光纤光路并由光纤环行器的第二端口入射，由光纤环行器的第三端口出射，经过第一光纤耦合器均分为两束，其中一束光经过声光移频器进行上移频，另一束光采用光纤延迟线进行延时，这两束光再通过第二光纤耦合器合束时产生光学拍，光电探测器对光学拍进行探测，输出电信号的频率等于光学拍的频率，通过光学检测光学拍的频率获得目标物体的加速度大小和方向。

运动目标的加速度计算公式为：a＝(f-f_A)λ/(2τ)，其中f为光学拍的频率，f_A为移频器的上移频值，a为待测目标的加速度，τ为光纤延迟线的延迟时间，λ为激光的波长；