一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头及系统

1.本发明属于光纤干涉测量领域，具体涉及一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头及系统。


背景技术：

2.加速度计是测量物体加速度的惯性仪表，在加速度测量系统中具有重要作用，被广泛应用于生物医学、交通应用、地质灾害预测和航空航天等领域。根据检测方式不同，可以将加速度计分为电容式、压阻式、谐振式和光学式等，其中光学式加速度计具有精度高、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点。同时，光纤干涉型加速度计的信号处理单元与无源传感探头完全分离，可有效降低器械故障带来的维修成本，非常适合用于复杂恶劣的环境。
3.由光纤端面和外部反射镜构成的非本征光纤法布里-珀罗(fabry-perot,f-p)干涉仪具有共模噪声抑制能力强、无接触和结构简单等优点，被广泛应用于加速度测量，其工作原理为：外界加速度引起的外部反射镜位移变化，使得法布里-珀罗腔的腔长发生改变，导致干涉相位变化，通过相位解调和光强解调等方式可以获取加速度信息。
4.目前，基于金属挠性弹簧振子系统的加速度计已经有所报道，专利文献(201510519101.4)公开了一种干涉型光纤加速度计探头及光纤加速度计系统，其提出一种两圈花瓣状分布弧形阵列的弹性膜片，具有很好的平面对称性，可提高加速度值的测量精度，然而该干涉型光纤加速度计探头的弹簧振子系统采用单簧片支撑结构，容易引入横向串扰，影响加速度值的测量。此外，该装置对于弹簧振子系统的设计加工中，光纤头与弹簧振子系统集成后形成的法布里-珀罗腔初始腔长为固定值，无法灵活控制法布里-珀罗腔的初始腔长。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头及系统，旨在解决现有技术中单簧片支撑结构容易引入横向串扰以及无法灵活控制法布里-珀罗腔初始腔长的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头，包括：光纤头、光纤夹具、反射镜、集成外壳、第一弹性簧片、第二弹性簧片、第一质量块、中心质量块、第二质量块和底座环；光纤头固定在光纤夹具上，且光纤头的光纤端面与反射镜形成法布里-珀罗腔干涉腔；法布里-珀罗腔干涉腔的初始腔长可调；第一质量块和第二质量块对称地固定在中心质量块两侧；第一弹性簧片的中心固定在第一质量块上，第二弹性簧片的中心固定在第二质量块上；第一弹性簧片边缘与底座环连接，第二弹性簧片边缘与底座环连接；集成外壳与底座环连接，且用于将由第一弹性簧片、第二弹性簧片、第一质量块、中心质量块和第二质量块构成的弹簧振子结构密封。工作时，可以采用固定支架将光纤加速度计探头固定在待测物体上。
7.更进一步地，光纤加速度计探头还包括：第一簧片内夹板、第二簧片内夹板、第一
簧片外夹板和第二簧片外夹板；第一弹性簧片的中心通过第一簧片内夹板固定在第一质量块上，第二弹性簧片中心通过所述第二簧片内夹板固定在第二质量块上；第一弹性簧片边缘通过第一簧片外夹板与底座环连接，第二弹性簧片边缘通过第二簧片外夹板与底座环连接。
8.更进一步地，光纤加速度计探头还包括：第一凸台和第二凸台，第一凸台固定在第一质量块上，第二凸台固定在第一凸台上；反射镜固定在第一凸台和第二凸台的平面上。
9.更进一步地，光纤夹具上设置有外螺纹，集成外壳上设置有内螺纹，通过将光纤夹具旋入集成外壳使得光纤头与反射镜之间的距离可调，实现所述法布里-珀罗腔干涉腔的初始腔长可调。
10.更进一步地，光纤头为光纤跳线插头，光纤头的光纤端面经微球面研磨抛光，且所述法布里-珀罗腔干涉腔的腔长为900μm～2000μm。
11.更进一步地，第一弹性簧片和第二弹性簧片的形状为两圈六环形槽口的圆形结构，且其厚度为80μm～120μm。
12.更进一步地，反射镜镀有薄膜材料，且所述薄膜材料的反射率为0.04～1。
13.更进一步地，光纤加速度计探头还包括：第一配重块和第二配重块，所述第一配重块固定在第二质量块上，第二配重块固定在所述第一配重块上。
14.本发明还提供了一种双簧片对称支撑结构的光纤加速度计系统，包括光纤加速度计探头、检测光源、光学模块、光电检测模块和信号采集系统；所述光纤加速度计探头为上述的光纤加速度计探头；光学模块包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口连接检测光源，第二端口连接光纤加速度计探头，第三端口连接光电检测模块，第一端口的输入光经第二端口输出，第二端口的输入光经第三端口输出；光纤加速度计探头用于将加速度信号转化为光学信号；检测光源用于提供系统所需激光；光学模块用于将激光输入至光纤加速度计探头，并将光纤加速度计探头的光学信号导入光电检测模块；光电检测模块用于将光纤加速度计探头的光学信号转化为电学信号；信号采集系统用于采集和处理电学信号，得到加速度信号。
15.其中，检测光源可以为窄线宽光纤激光器，光学模块可以为光纤环形器。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
17.(1)本发明中，由于两个弹性簧片对称地支撑质量块，可减小垂直于输入轴方向的横向串扰。同时，双簧片与单簧片相比，可支撑较大质量块，从而减小加速度计弹簧振子结构的机械热噪声。
18.(2)本发明中，由于在光纤夹具和集成外壳上都开有螺纹，通过将光纤夹具以螺旋的方式旋入集成外壳内部，可灵活控制法布里-珀罗腔的初始腔长。
19.(3)本发明提供的双簧片对称支撑结构的光纤加速度计探头采用光纤法布里-珀罗干涉腔作为敏感结构，光纤头的光纤端面与反射镜形成法布里-珀罗腔干涉腔，具有很好的共模噪声抑制特性，可以对待测量进行高精度测量；且加速度计探头的横向串扰低，使得加速度测量噪声更低，从而使得加速度测量精度高。因此本发明具有结构简单、体积小、容易加工，可集成在各种装置设备上实现高精度加速度检测的优点。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的结构内部剖面示意图；
21.图2(a)为本发明实施例提供的一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的内视图之一；
22.图2(b)为本发明实施例提供的一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的内视图之二；
23.图3为本发明实施例提供的一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的斜视图；
24.图4为本发明实施例提供的一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的非本征光纤法布里-珀罗腔的示意图；
25.图5为本发明实施例提供的一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计系统的结构框图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
28.图1为本发明一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的结构内部剖面示意图，如图1所示，加速度计探头包括光纤头1、光纤夹具2、反射镜3、第一凸台4a、第二凸台4b、集成外壳5、第一簧片内夹板6a、第二簧片内夹板6b、第一簧片外夹板7a、第二簧片外夹板7b、第一弹性簧片8a、第二弹性簧片8b、第一质量块9a、中心质量块10、第二质量块9b、第一配重块11a、第二配重块11b、封装外壳12、底座环13和固定支架14并采用非本征光纤法布里-珀罗干涉仪作为敏感元件；
29.第一质量块9a、第二质量块9b和中心质量块10开有通孔，用螺钉将第一质量块9a和第二质量块9b对称的固定在中心质量块10两侧；第一质量块9a和第二质量块9b设有两层台阶凸起，每层台阶凸起都带有螺纹孔，第一簧片内夹板6a和第二簧片内夹板6b开有通孔，其通孔位置与第一质量块9a和第二质量块9b中间台阶凸起上的螺纹孔位置对应，第一弹性簧片8a中心通孔穿过第一质量块9a的最外层台阶凸起放在第一质量块9a的中间台阶位置上，用螺钉依次穿过第一簧片内夹板6a和第一弹性簧片8a将其固定在第一质量块9a上，第二弹性簧片8b中心通孔穿过第二质量块9b的最外层台阶凸起放在第二质量块9b的中间台阶位置上，用螺钉依次穿过第二簧片内夹板6b和第一弹性簧片8b将其固定在第二质量块9b上；底座环13两底面开有凹槽，凹槽上带有螺纹孔，第一弹性簧片8a外边缘放在底座环18一侧底面凹槽上，用螺钉依次穿过第一簧片外夹板7a和第一弹性簧片8a与底座环18连接，第二弹性簧片8b外边缘放在底座环18另一侧底面凹槽上，用螺钉依次穿过第二簧片外夹板7b和第二弹性簧片8b与底座环18连接；用螺钉将第一凸台4a固定在第一质量块9a的最外层台阶凸起上，用螺钉将第二凸台4b固定在第一凸台4a上；用502胶将反射镜3固定在第一凸台
4a和第二凸台4b的平面上；集成外壳5与底座环18连接；光纤头1固定在光纤夹具2内，并通过光纤夹具2固定在集成外壳5上；第一配重块11a固定在第二质量块9b上，第二配重块11b固定在第一配重块11a上，封装外壳12与底座环13连接；集成外壳5、底座环13和封装外壳12将整体弹簧振子系统密封其中。
30.在本发明实施例中，由于第一凸台4a中间需要掏孔固定到第一质量块9a，第二凸台4b固定到第一凸台4a上，反射镜贴在第一凸台4a和第二凸台4b共同构成的平面上。如果把第一凸台4a和第二凸台4b替换成一个凸台，那么该凸台得掏孔固定到第一质量块9a，使得该凸台不平整，从而导致反射镜不垂直，且不能与光纤头1平行，从而引入加速度测量误差。因此，本发明实施例中需要设置两个凸台的结构。
31.图2(a)和(b)分别为本发明一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的内视图之一，图3为本发明一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的斜视图，如图2(a)、(b)和图3所示，反射镜3、第一凸台4a、第二凸台4b、第一簧片内夹板6a、第二簧片内夹板6b、第一弹性簧片8a、第二弹性簧片8b、第一质量块9a、中心质量块10、第二质量块9b、第一配重块11a、第二配重块11b共同构成整体质量块；第一弹性簧片8a边缘部分由第一簧片外转接板7a连接底座环18，同理，第二弹性簧片8b边缘部分由第二簧片外转接板7b连接底座环18；第一弹性簧片8a中心部分由第一簧片内转接板6a连接整体质量块，同理，第二弹性簧片8b中心部分由第二簧片内转接板6b连接整体质量块；整体质量块由第一弹性膜片8a和第二弹性膜片8b对称支撑，悬空在底座环13内部中心；光纤加速度计探头通过固定支架14固定在待测物体上，在外界加速度输入时，通过弹性簧片的弹性力带动质量块左右移动，引起法布里-珀罗腔的腔长变化，通过测量这一腔长变化，即可实现加速度的测量。
32.在本发明实施例中，由于两个簧片对称支撑，可以提升质量块运动的方向性，即让质量块更好地沿着簧片一阶模态的振动方向运动，从而减小横向串扰。
33.图4为本发明一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计探头的非本征光纤法布里-珀罗腔的示意图，如图4所示，光纤头1为跳线插头，光纤头1的光纤端面与反射镜3形成干涉腔，腔长d为900μm～2000μm。
34.本发明一种新型的光纤头与弹簧振子系统集成方式，光纤头1固定在光纤夹具2上，光纤夹具2为光纤转接件，其带有外螺纹，集成外壳5内侧开有内螺纹，把光纤夹具2旋进集成外壳5内部，通过把光纤夹具2在集成外壳5内部进行螺旋，可灵活控制法布里-珀罗腔的腔长，在确定初始腔长后，滴入502胶进行固定，且固定后初始腔长不再可调。
35.在本发明实施例中，由于光纤夹具2上设计外螺纹，集成外壳5上设计内螺纹，通过将光纤夹具2旋入集成外壳5中可使光纤头1和反射镜3的间距可调，从而实现法布里-珀罗腔干涉腔的初始腔长可调节；当光纤夹具2旋入越深时，法布里-珀罗腔干涉腔的腔长越小；当光纤夹具2旋入越浅时，法布里-珀罗腔干涉腔的腔长越大。
36.图5为本发明一种对称式双簧片支撑结构的光纤加速度计系统的结构框图，该系统包括检测光源16、光学模块17、光纤加速度计探头15、光电检测模块18和信号采集系统19；检测光源16发出的光输入光学模块17的第一端口，第一端口的输入光经第二端口输出，第二端口的输出光传输至光纤加速度计探头15，光纤头1的光纤端面和反射镜3平行位于光纤加速度计探头15内部，传输至光纤加速度计探头15的一部分光信号由光纤头1的光纤端面反射，一部分透射至反射镜3，由反射镜3反射，反射镜3反射的光信号与光纤头1反射的光
信号发生干涉，干涉光信号传输至光学模块17的第二端口，第二端口的输入光经第三端口输出，第三端口的输出光传输至光电检测模块18，将光信号转换为电信号，最后由信号采集系统19进行数据采集。
37.在光纤加速度计探头中，由于光纤头1与反射镜3构成了非本征光纤法布里-珀罗干涉结构以读取加速度信号，非本征光纤法布里-珀罗干涉结构的共模噪声抑制能力强、结构简单，所以加速度系统具有高精度和低成本的优点。
38.光纤头1的光纤端面反射的光场可表示为：
[0039][0040]
反射镜3反射的光场可表示为：
[0041][0042]
光学模块17的第三端口输出的光电场为：
[0043]
e＝e1+e2[0044]
其中，r1、r2分别为光纤头1的光纤端面和反射镜3的反射率，a0为入射光的振幅，为入射光的初始相位，d为光纤头1的光纤端面与反射镜3之间的垂直距离。
[0045]
进而得到光电探测模块的输出光强为：
[0046][0047]
外界加速度的输入引起法布里-珀罗腔的腔长变化，通过相位解调、光强解调等方式可以得到腔长变化，进而获取加速度信息。
[0048]
作为一个优选的实施例，反射镜为镀有铝膜的硅片，其具有厚度薄、易镀高反射率金属膜和成本低的优点，另外，也可根据需求用其他镀膜材料或反射镜材料进行替换。其中，由于硅片较薄且厚度只有50μm左右、易镀金属膜以增加反射率、成本低，相比于镀介质膜的玻璃反射镜，可以使加速度计探头的尺寸更小。
[0049]
作为一个优选的实施例，弹性簧片形状为两圈六环形槽口的圆形结构，弹性簧片厚度为80μm～120μm，弹性簧片材料为铍红铜。该弹性簧片具有本征频率低、交叉抑制比高和使用寿命长的优点，有利于降低加速度测量噪声和提高加速度计使用寿命。
[0050]
本发明实施例中弹性簧片采用这种形状可以降低弹簧振子结构的本征频率、提高交叉轴抑制比，即弹性簧片振动的高阶模态不容易对一阶模态产生干扰，从而降低加速度的测量噪声。
[0051]
另外，由于簧片越厚刚度越大，交叉轴抑制比越低，从而加速度测量噪声大；簧片越薄则刚度越小，交叉轴抑制比越高，加速度测量噪声小，但是太薄的簧片难以加工，且更容易变形。
[0052]
本发明实施例中采用铍红铜制作弹性元件，是因为铍红铜具有很高的硬度、弹性极限、疲劳极限和耐磨性等优点，可以提升加速度计的使用寿命。
[0053]
当然，也可根据需求改变弹性簧片的材料，尺寸及形状进行替换。
[0054]
作为一个优选的实施例，检测光源为窄线宽光纤激光器，其具有较低的光频率噪
声和相对强度噪声，有利于降低光纤加速度计系统的测量噪声；窄线宽光纤激光器的光频率噪声和相对强度噪声较低，将其应用于测量系统，可以降低测量噪声。另外，也可根据需求选择其他的检测光源。
[0055]
作为一个优选的实施例，光学模块为光纤环形器，其具有回波损耗大、传输损耗低的优点，有利于降低光纤加速度计系统的测量噪声；光学模块的功能作用是：使激光器发出的激光输入到光纤加速度计中，再将光纤加速度计反射的光信号输入到光电探测器中，常见的光纤器件中，光纤环形器和光纤耦合器都可以实现上述功能，但是光纤环形器的回波损耗大、传输损耗低，可以降低光纤加速度计系统的测量噪声。另外，也可根据需求用其他具有光纤环形器功能的波导结构或其他光学结构进行替换。
[0056]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。