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光纖加速度傳感器原理

直射式光纖傳感器，原理就是利用光纖作為光信號的傳輸通道，直射式出射光纖發(fā)出光，接收光纖接收光信號，接收光纖位于出射光纖的傳播方向上。出射光信號在空間中傳播，經(jīng)過一段介質(zhì)后再進(jìn)入接收光纖。

光纖加速度傳感器優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的基于壓電、超聲等的傳感技術(shù)，光纖傳感技術(shù)有著顯著的優(yōu)勢，包括：傳感和傳輸信息量大；尺寸小、輕便；工作頻帶寬；高于其他傳感技術(shù)1一3個量級的靈敏度和分辨率；傳感部分結(jié)構(gòu)和幾何形狀的多樣性；普遍適用于各種物理現(xiàn)象的傳感，如熱空氣老化試驗箱聲場、磁場、溫度、旋轉(zhuǎn)等；不受電磁干擾影響；可應(yīng)用于高溫高壓、易燃易爆等惡劣環(huán)境；易復(fù)用和形成傳感網(wǎng)絡(luò)；易實現(xiàn)實時、在線、分布式傳感等等。

光纖加速度傳感器應(yīng)用

光纖傳感器在應(yīng)用上分為傳光型的和傳感型的。顧名思義，前一種就是起到傳輸光的作用，傳感元件要與光纖連在一起；后一種就是既有傳輸光的作用，又有傳感作用?，F(xiàn)在研究熱點幾乎都是后一種，所以我就簡單介紹下后一種，因為光纖傳感器作為傳感用有很多的應(yīng)用，比如抗腐蝕，抗電磁干擾等，可以在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下使用。作為傳感用的光纖，原理上就是通過對傳輸光的偏振，強(qiáng)度，相位，波長，周期，頻率等進(jìn)行調(diào)制，通過檢測器獲得調(diào)制結(jié)果而進(jìn)行傳感的器件。因為當(dāng)外界的環(huán)境變化時，比如說溫度，應(yīng)力、磁、聲、壓力、溫度、加速度等都會對光纖的折射率分布等一些構(gòu)造產(chǎn)生微小的影響，導(dǎo)致傳輸光的特性發(fā)生改變，通過探測這些改變而得到外界的變化，起到傳感作用。

光纖加速度傳感器分類

1.強(qiáng)度調(diào)制型

強(qiáng)度調(diào)制型加速度傳感器是指通過調(diào)制光纖中傳輸光的強(qiáng)度從而達(dá)到測量加速度的目的，主要包含有透射式、反射式、偏振式等，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為簡單、信號易于解調(diào)、成本相對低廉，缺點是精度不高。

(1) 透射式光纖加速 度傳感器。

此類傳感器的結(jié)構(gòu)特點是利用光纖本身作為移動單元，加速度引起輸出光纖振動導(dǎo)致耦合進(jìn)入輸出光纖的光量改變，從接收端檢測到的光強(qiáng)即可反應(yīng)出加速度值的大小。

(2)反射式光纖加速度傳感器。

此類傳感器在結(jié)構(gòu)上與透射式的不同的地方在于多了一個反射鏡，光纖與反射鏡均可能作為運(yùn)動元件。光纖軸線垂直于反射面安置的稱為正鏡式，光纖軸線不垂直于反射面安置的稱為斜鏡式。

(3)偏振式光纖加速度傳感器。

這類傳感器是利用光纖本身直接感知質(zhì)量塊的慣性而產(chǎn)生偏振態(tài)變化，從而導(dǎo)致輸出光強(qiáng)的變化，藉此測量加速度。Tihon Pierre等人于2012年提出的基于光纖雙折射的四種機(jī)械換能結(jié)構(gòu)，分別是對光纖產(chǎn)生彎曲、擠壓、拉伸和扭轉(zhuǎn)作用的U型鋁梁。當(dāng)偏振光從該結(jié)構(gòu)的單模光纖一端輸入時，加速度引起光纖的變形從而導(dǎo)致激光偏振態(tài)的改變。從另外一端輸出的偏 振光經(jīng)過檢偏器后通過光電二二極管來檢測，不同的加速度大小對應(yīng)不同的偏振態(tài)，即不同的接收光強(qiáng)[1]。

2相位調(diào)制型

相位調(diào)制型加速度傳感器是指通過調(diào)制光纖中傳輸光的相位從而達(dá)到測量加速度的目的，主要包含有Michelson干涉式、Mach-Zennder干涉式、 F-P干涉式等，其優(yōu)點是幾何結(jié)構(gòu)靈活多樣，分辨率、靈敏度等性能指標(biāo)都非常高，研究較為廣泛。

(1) Michelson干涉式光纖加速度傳感器。

F Peng等人于2012年設(shè)計了-種緊湊型的Michelson干涉型加速度計，利用了光纖本身的固有優(yōu)勢，使得傳感器尺寸和重量都可以做的很小，重量塊m用環(huán)氧樹脂粘在了兩根已經(jīng)粘在一起的單模光纖的中間，光纖_上下端和周圍用金屬管和固體框架固定住。加速度的變化將會引起作為干涉儀兩臂的光纖光程差的變化，通過解調(diào)相位變化即可獲得相應(yīng)的加速度大小，這種加速度傳感器的靈敏度和頻率響應(yīng)可以分別做到0.42 rad/g和600 Hz。

(2) M-Z干涉式光纖加速度傳感器。

陳柳華等人于2010年提出了-種基于光柵士1級干涉和相位載波(PGC)調(diào)制解調(diào)的光學(xué)加速度傳感方案，與傳統(tǒng)的M-Z干涉儀不同，這種結(jié)構(gòu)并不是靠M-Z其中的-一個臂作為傳感臂，而是以激光垂直入射的正弦振幅光柵作為傳感元件。當(dāng)在光柵平面內(nèi)有垂直柵線方向的加速度作用在光柵上時，光柵產(chǎn)生相應(yīng)位移，繼而引起PD端干涉相位差的改變。M-Z的其中一臂通過PZT生成載波以提高相位解調(diào)精度,實驗得到的系統(tǒng)誤差為[2]。

(3) F-P干涉式光纖加速度傳感器。

QLin等人于201 1年提出的一種高分辨率加速度傳感器結(jié)構(gòu)，單模光纖端面鍍半反膜,既做發(fā)射光纖又做接收光纖，固定在V形槽_上。光纖端面與固定在0.1 mm厚的不銹鋼環(huán)狀彈簧網(wǎng)中心0.8 mm厚的質(zhì)量塊上的硅微反射鏡形成-一個F-P諧振腔。在V形槽與光纖固定支架之間裝有-一個PZT,通過施加音頻信號對腔長生成相位載波(PGC) 調(diào)制，腔長的變化與光纖軸向方向的加速度大小成線性關(guān)系。該結(jié)構(gòu)的靈敏度為36dB每1 rad/g，諧振頻率為160 Hz,橫向靈敏度-1.8dB每1rad/g[3]。

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