[发明专利]一种单光纤三维加速度传感探头及传感器

权利要求书

1.一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：包括一段光纤(7-3)、一个封装壳体(7-1)、一片弹簧振片(7-5)和一个质量块(7-4)；光纤(7-3)设置在封装壳体(7-1)内，一端固定于封装壳体(7-1)内，另一端为自由端；弹簧振片(7-5)将质量块(7-4)悬挂设置在封装壳体(7-1)内，质量块(7-4)的一个端面与光纤(7-3)的自由端的端面平行并留有间隙；所述光纤(7-3)包含两个空气孔(7-3-5，7-3-6)和一个中心纤芯(7-3-4)，第一空气孔(7-3-5)内壁上设置有第一悬挂纤芯(7-3-7)，第二空气孔(7-3-6)内壁上设置有第二悬挂纤芯(7-3-8)；所述两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)与中心纤芯(7-3-4)分别在不同相位匹配波长下发生共振耦合，构成两个正交分布的光纤定向耦合器，用于对光纤径向的二维加速度进行传感；光纤(7-3)自由端的端面除中心纤芯(7-3-4)区域外镀有反射膜，质量块(7-4)与光纤(7-3)的自由端的中心纤芯(7-3-4)端面平行的端面表面镀有反射膜(7-4-1)，中心纤芯(7-3-4)的端面和反射膜(7-4-1)构成光纤空气腔法布里-珀罗干涉仪，用于对光纤轴向的加速度进行传感。

2.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：所述两个正交分布的光纤定向耦合器在光谱中产生两个分离的共振峰，当中心纤芯(7-3-4)内传输满足悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)和中心纤芯(7-3-4)共振耦合条件的两个窄线宽光，耦合入对应悬挂纤芯的窄线宽光经悬挂纤芯的反射膜(7-3-1,7-3-2)反射后均位于耦合共振峰的线性区内；当沿光纤径向的二维加速度使得光纤(7-3)发生弯曲，两个正交分布的光纤定向耦合器的两个共振峰发生漂移，反射光谱中入射光波长的反射光强度发生变化，根据反射光强度变化实现对光纤径向二维加速度的传感。

3.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：所述光纤法布里-珀罗干涉仪在光谱中产生连续干涉峰，当中心纤芯(7-3-4)内传输窄线宽光，不满足共振耦合条件的窄线宽光经光纤空气腔法布里-珀罗干涉仪反射后位于任意干涉峰的线性区内，当光纤轴向的加速度使得中心纤芯(7-3-4)端面和质量块反射面(7-4-1)之间的距离发生变化，法布里-珀罗干涉峰发生漂移，反射光谱中入射光波长的反射光强度发生变化，根据反射光强度变化实现对光纤轴向加速度的传感。

4.根据权利要求3所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：光纤(7-3)因径向加速度发生弯曲时，中心纤芯(7-3-4)端面和质量块反射面(7-4-1)之间的夹角和距离发生变化，中心纤芯(7-3-4)中不满足共振耦合条件的窄线宽入射光的反射光强度发生变化，利用双参数矩阵，用两个正交分布的光纤定向耦合器获得径向加速度消除光纤法布里-珀罗干涉仪中来自径向加速度的串扰。

5.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)中心分别与中心纤芯(7-3-4)中心的连线夹角为90°，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)分别悬挂于两个空气孔(7-3-5，7-3-6)内壁靠近中心纤芯处，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)中的基模通过折射率差异或直径差异分别在不同的相位匹配波长下与中心纤芯的基模发生共振耦合。

6.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：光纤(7-3)的包层直径为125μm，中心纤芯(7-3-4)直径为8.5-9μm，两个空气孔(7-3-5，7-3-6)直径为35-40μm，两个空气孔(7-3-5，7-3-6)边缘与中心纤芯(7-3-4)边缘距离为3-8μm，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)直径为10-13μm，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)直径差为0.2-2μm，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)和中心纤芯(7-3-4)分别与包层的折射率差均为0.004-0.006。