一种光纤加速度传感器

系统的运动方程：
m r cx r kx r m s x x
r 2 n x r n x r s x x
2
ຫໍສະໝຸດ Baidun
k m
c 2 mk
传感器固有频率

传感器阻尼比
光纤加速度传感器的力学研究
加速度计型惯性接收：
s x r x
j t
s l n 4 nkl l n
光纤加速度传感器的光学研究
为了简化分析，假设弹性橡胶柱是顺变体，它在发 生变形时保持体积不变。由这个假设有
(D D ) (L L) (D D ) (L L)
2 2
式 中 D 和 D为 弹 性 橡 胶 柱 的 直 径 和 直 径 改 变
一种三分量光纤加速度传感器 A 3-component fiber-optic accelerometer
光纤传感器的优点 一维光纤加速度传感器的原理 三位光纤加速度传感器的原理 光纤加速度传感器工作的力学研究 光纤加速度传感器工作的光学研究
实验结果
光纤传感器的优点:
•不受电磁干扰 •体积小 •重量轻 •可挠曲 •灵敏度高 •耐腐蚀 •优良的电绝缘 •防爆性好 •易与微机连接, 便于遥测等
0 ta n
1
2 1
2
, 0 0
D 当频率低于传感器固有频率时，0 的值趋近于1。
光纤加速度传感器的力学研究
当阻尼比在0.6左右， 误差小于4%
在0~0.8之间时，响应波动的
光纤加速度传感器的光学研究
通过力学研究我们找到了待测加速度与弹性橡胶 柱长度改变之间的关系（s x r ），下一步需要 x 分析这种改变引起的光的相位变化 设绕在弹性橡胶柱上的光纤长度为l，光纤的折射 率为n，则光相位改变的原因包括两个部分：光纤 长度的改变 l 和光弹效应引起的光纤折射率的 改变 n
4：光纤耦合器 5：包管 6：光纤 7：输入/输出光纤 8：基础
9：同轴圆柱
10：弹性橡胶柱 体
11：质量块
(a) 传感元件的转换原理图
(b) 传感元件的动力学模型
光纤加速度传感器的力学研究
弹性橡胶柱纵向长度改变为：
L (t ) x r (t ) x m (t ) x s (t )
芯轴式干涉型光纤加速度传感 器的工作原理
从激光器发出的光输入到保偏光纤耦合器C 中,并 且在耦合器的两出纤端镀有反射膜,构成一个 Michelson 光纤干涉仪,干涉仪的两光纤臂分别绕 在两实心弹性柱体上,两弹性柱体间粘接有重物块 M。在平行于柱体轴向振动的加速度作用下,重物 块对两柱体分别施加以拉伸和压缩力,弹性柱体的 轴向形变引起径向形变,引起所绕光纤的长度发生 变化,进而在光纤干涉仪上产生相位差变化。当振 动垂直于柱体轴向时,两柱体产生相同的形变,从 而相位差变化为零。传感器所敏感的只是加速度 在柱体轴向上的分量
展开上式并略去高阶小量得到
D D L 2L
设N为光纤的缠绕匝数，则有光纤长度
l N D , l N D l
D D
光纤加速度传感器的光学研究
经过推导可以得到相位改变与待测加速度的传递关 系为 s j 0 Ce As 式中C为一常数，与材料和传感元件的结构的参 数有关
光纤加速度传感器结构简图
芯轴式干涉型光纤加速度传感器的工作原理示意图
光纤加速度传感器原理
激光束通过分光板后分为两束光, 透射 光作为参考光束,当传感器感受加速度时, 由 于质量块M对光纤的作用, 从而使光纤被拉 伸, 引起光程差的改变。 相位改变的激光束 由单模光纤射出后与参考光束会合产生干 涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可 由光电接收装置转换为电信号, 经过处理电 路处理后便可正确地测出加速度值。
上式表明相位的改变与待测加速度之间呈简单的 线性关系。
实验结果
不同频率下沿轴和垂直轴方向的灵敏度
实验结果
三分量加速度传感器在三个正交方向上的响应
实验结果
三分量加速度传感器的长期响应
设
xs X se
j t
, xr X r e
,
则 A e j t , A 2 X xs s s
n X r
2
s
X r n As
2

X r n X
2
2

s

2
X
D0e
j 0
s
D0
1 (1 ) 4
2 2 2 2
,
n
三分量的光纤加速度传感器
一维扩展到三维的做法：
直接用三个一维光纤加速度传感器分 别测x 、y 、z 三个方向的加速度,然后 将三个方向的一维光纤加速度传感器测 得的加速度进行矢量合成
对一维的结构进行改进,设计出三维一 体的结构。
三 分 量 加 速 度 传 感 器 的 结 构
1-3：三个相互正 交的芯轴式传元 件