一种采用光纤光栅的加速度传感器的制造方法
【专利摘要】一种采用光纤光栅的加速度传感器，包括宽带光源、单模光纤、单模光纤耦合器、光纤传感头、光纤接头、FBG波长变化检测单元，其特征在于，所述光纤传感头为至少两芯光纤Bragg光栅。
【专利说明】一种采用光纤光栅的加速度传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种光纤加速度传感器，尤其涉及一种采用光纤光栅的加速度传感器。
【背景技术】
[0002]光纤传感器以其不受电磁干扰、易于复用、可远距离传感等优点，已广泛应用于土木工程、交通运输、智能电网、石油化工、军事国防等领域。特别地，通过在光纤芯区写入不同中心波长的布拉格(Bragg)光栅,利用光纤光栅波长会受环境温度和应变的影响而改变这一原理，可以在单一光纤上实现多个传感器的复用，大大简化了传感器传输线的布设和安装，具有传统传感技术无法比拟的优势。目前，基于光纤Bragg光栅的工作原理已设计出温度、应变、和加速度等多种光纤传感器。
[0003]光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器的工作原理是:若在单模光纤芯区沿轴向引入周期为Λ的折射率变化，当Λ满足一定条件时这种周期变化的折射率会导致光纤中正向传输的基模与反向传输的模式发生耦合。满足耦合条件的光波长λB可由下式表示:
[0004]λ B = 2neff Λ
[0005]其中nrff是光纤基模对应的等效折射率。由于环境温度和应变会分别导致nrff和A的变化，因此，通过监测光纤中反向传输的光信号波长，就可以得到FBG所处位置的温度和应变。
[0006]采用FBG检测物体加速度时，通常将FBG粘贴在一个端头接有质量块m的悬臂梁上。当质量块m以加速度a运动时,悬臂梁在F=m a的力作用下产生应变,使FBG的波长发生变化。由于悬臂梁上、下两个表面在力F作用下产生大小相等、方向相反的正、负应变，因此将两只FBG分别贴在悬臂梁的上、下表面可以使它们的中心波长分别增大和减小，通过计算两个中心波长的差值可以提高灵敏度和消除温度对检测结果的影响(如刘钦朋，乔学光等人:“双光栅π相位差温度不敏感加速度传感技术研究”，中国激光，第38卷第2期)。这种借助金属或其它弹性材料悬臂梁的光纤光栅加速度传感方案需要使用强力胶将I或2只FBG粘贴在悬臂梁的拉伸或压缩表面，长期使用下胶有可能产生蠕变和粘接牢度下降，影响测量结果的准确性；另一方面，粘贴在悬臂梁上、下表面的两只不同FBG的温度系数或在环境中所受温度均可能不同，两个波长相减不能完全消除温度对测量结果的影响。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种体积小、灵敏度高、测量频率范围宽、成本低、温度稳定性好、传感头制作工艺简单的采用光纤光栅的加速度传感器。
[0008]为了解决上述的技术问题，本实用新型提供的一种光纤加速度传感器，包括宽带光源、单模光纤、单模光纤耦合器、光纤传感头、光纤接头、FBG波长变化检测单元，其特征在于，所述光纤传感头为至少两芯光纤Bragg光栅。[0009]作为优选，所述光纤Bragg光栅的一个芯子的圆心位于光纤横截面中心位置，其余芯子的圆心分别位于偏心位置。
[0010]作为优选，所述光纤Bragg光栅的所有芯子的圆心分别位于偏心位置。
[0011]作为优选，所述宽带光源为ASE光源。
[0012]作为优选，所述宽带光源为半导体超辐射发光二极管SLED。
[0013]作为优选，所述FBG波长变化检测单元为高速光谱分析仪。
[0014]作为优选，所述FBG波长变化检测单元为边沿滤波器与光电探测器的组合。
[0015]作为优选，所述单模光纤稱合器分光比为50:50。
[0016]作为优选，所述光纤传感头的一端固定于传感头基座，另一端连接有质量块m。
[0017]本实用新型提供的一种光纤加速度传感器，利用光纤中处于偏心位置的FBG对弯曲敏感，而处于中心位置的FBG对弯曲不敏感这一特点，无需使用胶将光纤粘贴在其它材料制作的悬臂梁上，所有芯子均处于光纤内部在同一个温度场内(因此具有高度一致的温度与温度系数)，与其它方式制作的加速度传感器相比具有体积小、灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、成本低、温度稳定性好、制作工艺较简单等优点，在加速度测量领域有较高的实际应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型优选实施例的装置图。
[0019]图2 (a)为本实用新型的优选实施例中双芯光纤的横截面示意图。
[0020]图2 (b)为本实用新型的优选实施例中双芯光纤的轴向透视图。
[0021]图3为处于偏心位置的FBG中心波长随弯曲半径变化的仿真计算曲线。d为光纤内芯子的中心离弯曲光纤中性层的距离。
[0022]图4为双芯光纤光栅的加速度传感器实测的振动曲线。
[0023]主要组件符合说明:1.AES光源2.单模光纤3.单模光纤耦合器4.双芯光纤连接头5.双芯光纤6质量块m7.传感头基座8.高速光谱分析仪。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步地描述。
[0025]参考图1，本实用新型提供的一种采用双芯光纤光栅的加速度传感器，包括ASE光源(I)、单模光纤(2)、单模光纤稱合器(3)、双芯光纤接头(4)、双芯光纤(5)、质量块m (6)、传感头基座(7 )、高速光谱分析仪(8 )。
[0026]进一步参考图2a、图2b，所述双芯光纤的两个芯子的圆心分别位于光纤横截面的中心位置和偏心位置。通过常规的光纤光栅紫外光刻写技术，可以在双芯光纤的同一位置写入两个相同或不同波长(由两个芯子的参数决定)的FBG。
[0027]当FBG以半径R弯曲时，根据结构力学分析可知，FBG中心波长的改变量Λ λ B可由下式计算:
[0028]Λ λ Β/ λ Β=0.784d/R
[0029]其中d为光纤内芯子的中心离弯曲光纤中性层(应变为O的层)的距离。对于常规的圆对称单模光纤，由于光纤芯子位于光纤横截面的几何对称中心，光纤弯曲时中性层经过光纤轴线(d=0)，因此总体上弯曲对圆对称光纤的FBG中心波长没有影响。所以所述双芯光纤中偏心光纤的FBG中心波长将按上述公式随着弯曲半径R的变化而改变,而中心光纤的FBG波长不随弯曲发生变化。因此，如果将双芯光纤本身作为悬臂梁，固定FBG的一端而将可运动的质量块m (6)安装在FBG的另一端，并分别监测位于偏心和中心位置的两个FBG中心波长λΒ1和λ Β2随加速度导致的光纤弯曲半径的变化，如图3。从而得到λΒ1 — λΒ2的值，并通过普通运算即可得到加速度的大小。
[0030]上述实施例以双芯光纤举例，对于光纤中含有大于双芯的情况，原理与双芯相同。本领域技术人员可以根据本说明简单推导，故而不再赘述。
[0031]上述实施例仅是用来说明本实用新型所用，而并非用作对本实用新型的限定。只要是依据本实用新型的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本实用新型的权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种采用光纤光栅的加速度传感器，包括宽带光源、单模光纤、单模光纤耦合器、光纤传感头、光纤接头、FBG波长变化检测单元，其特征在于，所述光纤传感头为至少两芯光纤Bragg光栅。
2.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅的加速度传感器，其特征在于，所述光纤Bragg光栅的一个芯子的圆心位于光纤横截面中心位置，其余芯子分别位于光纤横截面的偏心位置。
3.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅的加速度传感器，其特征在于，所述光纤Bragg光栅的所有芯子都分别位于光纤横截面的偏心位置。
4.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅的加速度传感器，其特征在于，所述宽带光源为ASE光源。
5.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅的加速度传感器，其特征在于，所述宽带光源为半导体超福射发光二极管SLED。
6.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅的加速度传感器，其特征在于，所述FBG波长变化检测单元为高速光谱分析仪。
7.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅的加速度传感器，其特征在于，所述FBG波长变化检测单元为边沿滤波器与光电探测器的组合。
8.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅的加速度传感器，其特征在于，所述单模光纤稱合器分光比为50:50。
9.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅的加速度传感器，其特征在于，所述光纤传感头的一端固定于传感头基座，另一端连接有质量块m。
【文档编号】G01P15/093GK203658394SQ201320709411
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】董小华 申请人:董小华