[发明专利]一种单光纤三维加速度传感探头及传感器

说明书

本发明公开了一种单光纤三维加速度传感探头及传感器，光纤设置在封装壳体内，一端固定，另一端为自由端；弹簧振片将质量块悬挂设置在封装壳体内，质量块一个端面与光纤自由端端面平行并留有间隙；光纤包含两个空气孔和一个中心纤芯，空气孔内壁上设置有悬挂纤芯；两个悬挂纤芯与中心纤芯分别在不同相位匹配波长下发生共振耦合，构成两个正交分布光纤定向耦合器，用于径向二维加速度传感；光纤自由端端面除中心纤芯区域外镀有反射膜，质量块与光纤自由端端面平行端面表面镀有反射膜，中心纤芯端面和反射膜构成光纤空气腔法布里‑珀罗干涉仪，用于光纤轴向加速度传感。本发明体积小、集成度高，克服电学类传感器抗电磁干扰能力差、不耐腐蚀缺点。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种单光纤三维加速度传感探头及传感器。

背景技术

传统的加速度传感器主要包括压电型、压阻型、电容型和伺服型。随着相关技术的发展，也出现了如谐振式、声表面波式、磁流体式等新型的电学加速度传感器。但在强静电场、强交变磁场、强声场、强电缆影响等存在电磁干扰的特殊环境下，电学传感器容易受到严重影响，这些电磁干扰将会导致电学类传感器产生乱真响应。此外，电学类传感器还普遍存在耐腐蚀能力差等缺点。与之相对的光学加速度传感器，特别是光纤加速度传感器因其出色的抗电磁干扰能力、耐腐蚀性、以及便于复用等优点，在国防、海洋、工业、航空航天等领域中发挥了重要作用。但现有的光纤加速度传感器通常需要多个传感器来实现多维加速度的传感。在进行三维加速度传感时，需要将三个加速度传感器两两正交集成，这不但对机械结构提出了较高的精度要求，而且限制了三维光纤加速度传感器的体积，不利于微型化。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于法布里-珀罗干涉原理和模式耦合原理的、能实现三维加速度测量的单光纤三维加速度传感探头及传感器，实现三维加速度光纤传感器的微型化并获得较高的加速度灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明的一种单光纤三维加速度传感探头，包括一段光纤、一个封装壳体、一片弹簧振片和一个质量块；光纤设置在封装壳体内，一端固定于封装壳体内，另一端为自由端；弹簧振片将质量块悬挂设置在封装壳体内，质量块的一个端面与光纤的自由端的端面平行并留有间隙；光纤包含两个空气孔和一个中心纤芯，第一空气孔内壁上设置有第一悬挂纤芯，第二空气孔内壁上设置有第二悬挂纤芯；两个悬挂纤芯与中心纤芯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；光纤自由端的端面除中心纤芯区域外镀有反射膜，质量块与光纤的自由端的中心纤芯端面平行的端面表面镀有反射膜，中心纤芯的端面和反射膜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。

进一步的，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，当中心纤芯内传输满足悬挂纤芯和中心纤芯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反射后均位于对应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。

进一步的，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端面和质量块反射面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。

进一步的，光纤因径向加速度发生弯曲时，中心纤芯端面和质量块反射面之间的夹角和距离发生变化，中心纤芯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。