一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器

摘要

一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器，属于光纤传感器技术领域。本发明为了解决传统F-P传感器存在的缺陷。包括写入光纤内的光纤布拉格光栅，光纤，套筒，在套筒端面的中间有凸起质量块的敏感膜片；光纤布拉格光栅和质量块端面构成法布里-珀罗腔的一对反射镜，F-P腔的光学反射面是平面，光纤布拉格光栅至出射端面和光纤出射端面至膜片的空气腔共同组成了法布里-珀罗腔的腔长；该传感器的输出信号采用相位解调方法进行解调。通过改变膜片的厚度或者形状，质量块的重量，来改变传感器的灵敏度和量程，利用相位解调方法使得光纤传感器很强的抗干扰能力和波分复用能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种F-P腔光纤加速度传感器，具体涉及一种基于FBG的膜片式低精细 度F-P光纤加速度传感器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

光纤传感器技术是随着光纤的发展和光纤通信而慢慢形成的一门新兴技术。它是以光 作为载体，并且以光纤作为传输介质，对被测参数实现传感。具有本质安全、不受电磁干 扰、便于联网与远距离测试、适应于恶劣环境等一系列优点。

光纤加速度传感器近年来发展迅速，目前已经有的光纤加速度传感器有环形腔干涉仪 加速度计，基于迈克尔逊干涉仪的光纤加速度计、基于马赫-泽德干涉仪的光纤加速度计、 光纤布拉格光栅加速度计，光纤本征型F-P腔加速度计等。这些传感器的主要特点是将光 纤缠绕在质量块上用作敏感元件，当质量块在加速度作用下振动时，引起光纤的长度、折 射率等发生变化，从而导致输出光信号发生变化。通过检测输出光信号的变化从而检测出 加速度。这种结构通常具有尺寸较大、温度交叉敏感，传感器的制作重复性低等缺点。

光纤非本征型F-P腔加速度计利用质量块自身做敏感元件，利用光纤端面与质量块端 面组成F-P腔，利用强度解调检测质量块振动时造成的腔长变化来检测加速度大小，具有 结构简单、灵敏度高等优势。但该种结构对F-P腔的初始腔长及腔长稳定性具有较高要求， 不适应于大规模批量复制和温度敏感度高和大规模阵列复用等缺点。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理 解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关 键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念， 以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤 加速度传感器，以克服上述传统的光纤加速度传感器的缺点。

本发明提出的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器，该光纤传感 器包括写入光纤3内的FBG1，敏感膜片2，光纤3，套筒5，套筒5用于将敏感膜片2 固定于光纤端面4的正前方，敏感膜片2的中间设有凸起质量块；所述的FBG1和凸起质 量块的端面构成F-P腔的一对反射镜，所述的F-P腔的光学反射面是平面，所述的光纤3 和光纤端面4至敏感膜片2的空气腔共同组成了F-P腔的腔长。

对上述的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所 述的FBG距离光纤端面6米，敏感膜片距离光纤端面为微米量级。

对上述的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所 述的光纤端面有一个倾角。如此设置，避免在空气腔发生自干涉。

对上述的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所 述的FBG的反射率在2％至10％之间。

对上述的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所 述的凸起质量块的直径为125微米至2.5毫米，凸起质量块的厚度为200微米至500微米； 敏感膜片的半径为50微米至250微米，敏感膜片的厚度为10微米至100微米之间。本发 明的传感器通过改变膜片的厚度或者形状，凸起质量块的重量，来改变传感器的灵敏度和 量程。

对上述的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所 述敏感膜片的材料为硅、金、银或铝。

对上述的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所 述的光纤端面与敏感膜片之间的距离可调整。如此设置，通过控制光纤端面与膜片之间的 距离，使得膜片的有效反射率与FBG的反射率相同。

对上述的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所 述的传感器的输出信号采用PGC相位解调系统进行信号解调。如此设置，利用相位解调 方法使得光纤传感器很强的抗干扰能力和波分复用能力。

本发明所达到的效果为：

本发明提供了一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器，该传感器利 用带有质量块结构的膜片作为加速度敏感元件，利用相位方法进行信号解调，具有灵敏度 高，抗干扰能力强，波分复用能力强等优势。光纤布拉格光栅和质量块端面构成法布里- 珀罗腔的一对反射镜，光纤布拉格光栅至出射端面和光纤出射端面至膜片的空气腔共同组 成了法布里-珀罗腔的腔长。通过改变膜片的厚度或者形状，质量块的重量，来改变传感 器的灵敏度和量程，利用相位解调方法使得光纤传感器很强的抗干扰能力和波分复用能 力。

附图说明

图1是本发明一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器具体实施的截面 示意图；

图2是本发明一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器采用相位解调方 法的解调系统示意图；

图中：1FBG、2敏感膜片、3光纤、4光纤端面、5套筒、6PGC相位解调模块、7 环形器、8A/D转换器、9光电转换器。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说 明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例 的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符 合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有 所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发 明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅 仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关 系不大的其他细节。

本发明的实施例提供了一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器，采用 PGC相位解调系统进行信号解调。传感器结构示意图如图1所示，PGC相位解调系统如图 2所示。该传感器包括写入光纤(3)内部的FBG1，位于套筒5端面且正对于光纤端面(4) 的中间带有凸起质量块的敏感膜片(2)，光纤(3)，光纤端面(4)，套筒(5)。所述的FBG(1)， 距离光纤端面(4)为6米，FBG(1)构成了F-P光纤传感器的一个反射镜；所述的敏感膜片 (2)，距离光纤端面(4)为微米量级，敏感膜片(2)构成F-P光纤传感器的另一个反射镜； 所述的光纤(3)，长度为6米，所述的光纤端面(4)有一个倾角，避免了光纤端面和敏感膜 片发生干涉；所述的套筒(5)用于固定敏感膜片(2)和光纤(4)的位置。通过控制光纤端面 与膜片之间的距离，可以使得耦合进入光纤内的反射光与在FBG处的反射光强度相等。

本实施例的一种基于FBG的膜片式低精细度F-P光纤加速度传感器,所述的PGC相位 解调系统如图2所示。具体为：光源发出的光线经环形器7后,首先进入光纤传感器发生 干涉，干涉光再经环形器7进入光电转换器9，电信号经A/D8采集后接入PGC相位解 调模块6。

使用时，传感器感受到加速度时，敏感薄膜2将发生振动，F-P腔的腔长将会发生变 化，利用相位解调程序即可测试外界的加速度。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案 而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不 脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变 化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。