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光纤加速度传感器原理及应用
发布时间:2021-05-12   点击次数:97次

光纤加速度传感器原理

 

直射式光纤传感器,原理就是利用光纤作为光信号的传输通道,直射式出射光纤发出光,接收光纤接收光信号,接收光纤位于出射光纤的传播方向上。出射光信号在空间中传播,经过一段介质后再进入接收光纤。

 

光纤加速度传感器优势

 

相对于传统的基于压电、超声等的传感技术,光纤传感技术有着显著的优势,包括:传感和传输信息量大;尺寸小、轻便;工作频带宽;高于其他传感技术13个量级的灵敏度和分辨率;传感部分结构和几何形状的多样性;普遍适用于各种物理现象的传感,如热空气老化试验箱声场、磁场、温度、旋转等;不受电磁干扰影响;可应用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境;易复用和形成传感网络;易实现实时、在线、分布式传感等等。

 

光纤加速度传感器应用

 

光纤传感器在应用上分为传光型的和传感型的。顾名思义,前一种就是起到传输光的作用,传感元件要与光纤连在一起;后一种就是既有传输光的作用,又有传感作用。现在研究热点几乎都是后一种,所以我就简单介绍下后一种,因为光纤传感器作为传感用有很多的应用,比如抗腐蚀,抗电磁干扰等,可以在复杂恶劣的环境下使用。作为传感用的光纤,原理上就是通过对传输光的偏振,强度,相位,波长,周期,频率等进行调制,通过检测器获得调制结果而进行传感的器件。因为当外界的环境变化时,比如说温度,应力、磁、声、压力、温度、加速度等都会对光纤的折射率分布等一些构造产生微小的影响,导致传输光的特性发生改变,通过探测这些改变而得到外界的变化,起到传感作用。

 

光纤加速度传感器分类

 

1.强度调制型

 

强度调制型加速度传感器是指通过调制光纤中传输光的强度从而达到测量加速度的目的,主要包含有透射式、反射式、偏振式等,其优点是结构较为简单、信号易于解调、成本相对低廉,缺点是精度不高。

 

(1) 透射式光纤加速 度传感器。

 

此类传感器的结构特点是利用光纤本身作为移动单元,加速度引起输出光纤振动导致耦合进入输出光纤的光量改变,从接收端检测到的光强即可反应出加速度值的大小。

 

(2)反射式光纤加速度传感器。

 

此类传感器在结构上与透射式的不同的地方在于多了一个反射镜,光纤与反射镜均可能作为运动元件。光纤轴线垂直于反射面安置的称为正镜式,光纤轴线不垂直于反射面安置的称为斜镜式。

 

(3)偏振式光纤加速度传感器。

 

这类传感器是利用光纤本身直接感知质量块的惯性而产生偏振态变化,从而导致输出光强的变化,藉此测量加速度。Tihon Pierre等人于2012年提出的基于光纤双折射的四种机械换能结构,分别是对光纤产生弯曲、挤压、拉伸和扭转作用的U型铝梁。当偏振光从该结构的单模光纤一端输入时,加速度引起光纤的变形从而导致激光偏振态的改变。从另外一端输出的偏 振光经过检偏器后通过光电二二极管来检测,不同的加速度大小对应不同的偏振态,即不同的接收光强[1]

 

2相位调制型

 

相位调制型加速度传感器是指通过调制光纤中传输光的相位从而达到测量加速度的目的,主要包含有Michelson干涉式、Mach-Zennder干涉式、 F-P干涉式等,其优点是几何结构灵活多样,分辨率、灵敏度等性能指标都非常高,研究较为广泛。

 

(1) Michelson干涉式光纤加速度传感器。

 

F Peng等人于2012年设计了-种紧凑型的Michelson干涉型加速度计,利用了光纤本身的固有优势,使得传感器尺寸和重量都可以做的很小,重量块m用环氧树脂粘在了两根已经粘在一起的单模光纤的中间,光纤_上下端和周围用金属管和固体框架固定住。加速度的变化将会引起作为干涉仪两臂的光纤光程差的变化,通过解调相位变化即可获得相应的加速度大小,这种加速度传感器的灵敏度和频率响应可以分别做到0.42 rad/g600 Hz

 

(2) M-Z干涉式光纤加速度传感器。

 

陈柳华等人于2010年提出了-种基于光栅士1级干涉和相位载波(PGC)调制解调的光学加速度传感方案,与传统的M-Z干涉仪不同,这种结构并不是靠M-Z其中的-一个臂作为传感臂,而是以激光垂直入射的正弦振幅光栅作为传感元件。当在光栅平面内有垂直栅线方向的加速度作用在光栅上时,光栅产生相应位移,继而引起PD端干涉相位差的改变。M-Z的其中一臂通过PZT生成载波以提高相位解调精度,实验得到的系统误差为[2]

 

(3) F-P干涉式光纤加速度传感器。

 

QLin等人于201 1年提出的一种高分辨率加速度传感器结构,单模光纤端面镀半反膜,既做发射光纤又做接收光纤,固定在V形槽_上。光纤端面与固定在0.1 mm厚的不锈钢环状弹簧网中心0.8 mm厚的质量块上的硅微反射镜形成-一个F-P谐振腔。在V形槽与光纤固定支架之间装有-一个PZT,通过施加音频信号对腔长生成相位载波(PGC) 调制,腔长的变化与光纤轴向方向的加速度大小成线性关系。该结构的灵敏度为36dB1 rad/g,谐振频率为160 Hz,横向灵敏度-1.8dB1rad/g[3]

 

 

 

 

 

 

(来源:网络,版权归原作者)

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