一种光纤加速度传感器
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浅议光纤加速度传感器系统
．
系统 构 成 。
关键 词 ： 光纤加速度 传感器 相位调制 光纤干 涉仪 中图 分类 号 ： Ｎ１ Ｔ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ
文 章编 号 ： ６ ４ ９ Ｘ（ ０ ０ １ （） ０ ９ １ １ ７ —０ ８ ２ １ ） ０ｂ一０ ４ —０ ３ ２光纤干 涉仪 （ ） 纤 干 涉 仪 原 理 １光 光 纤 相 位 传 感 器 要 求 由 干 涉 仪 实 现 相 位 检 测 过程 。 光波 的 干 涉测 量 中 ， 播 的 在 传 光 波 可 能 是 两 束 或 多 束 相 干 光 。 光 波 的 在 干 涉 测 量 中 ， 波 可 能 是 两 束 或 多 束 相 干 光 光。 （） ｅ ｅ Ｓ ｎ ２ Ｍｉ １ ｏ 光纤 干涉 仪 ｈ 分 束 器将 激光 器输 出 的 单 色 光 分 成 光 强 相等 的两 束 光 。 束通 过 固定 反 射 镜 ， 一 反 射 回分 束 器 ， 探 测 器 接 收 ， 回 到 激 光 被 返 器。 另一 束 光 入 射 到 可移 动 反 射 镜 上 ， 反射 回 分束 器上 ， 分 束 器传 至 光 探 测 器 。 经 当两 反射 镜 到 分 束 器 间的 光 程 差 小 于 激 光 器的 相 干 长 度 时 ， 到 光 探 测 器 上 的 两 相 干 光 射 束便产生干涉 ， 涉光强确定。 干 ３ ３基于 Ｍｉｈ ＩＯ 干 涉仪 的加 速度 传感器 ． ｃｅＳ ｎ Ｍｉｈｅｓ ｎ 光 束干 涉 仪将 外界 信 号带 ｃ ｌｏ 双 来 相 位 移 变 化 转 换 为 光 强 的 变 化 。 涉 仪 干 将 振 动 加 速 度 造 成 的 光 相位 变化 转 化 为 光 强 变 化 ， 通 过 光 电 转 换 器 将 转 变 为 电 压 再 信号 ， 电路 信 号 处 理 ， 电压 信号 中提 取 作 从 用 在 干 涉 仪 上 的加 速 度 信 号 。 光纤 加 速 度传 感 器 是 一 种 简 谐 振 子 的 结 构 形 式 。 光 束 通 过 分 光 板 后 分 为 两 束 激 光， 透射 光 作 为 参 考 光 束 ， 射光 作 为 测量 反 光束。 当传 感 器 感 受 加 速 度时 ， 由于 质 量块 Ｍ对 光 纤 的 作 用 ， 而 使 光 纤 被 拉 伸 ， 从 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 。 光 干 涉 仪 的 干 涉 条纹 的 移 动 可 由光 激 电 接 收 装 置 转 换 为 电 信 号 ， 过 处 理 电路 经 处 理 后 便 可 正 确 地 测 出加 速 度 值 。 纤 加 光 速 度传 感 器 分 为 五 类 ： 位 调 制 型 、 度调 相 强 制 型 、 振 态 调 制 型 、 长 调 制 型 和模 式 调 偏 波 制 型 。 纤 加 速 度 传 感 器 最 适 合 测 量 微 小 光 振 动加速度 ， 由重 物 、 尼 器 、 簧 构 成 的 阻 弹 振 动 子 组 成 。 框 架 随 振 动 物 体 做 低 频 振 当 动 时 ， 物 上 产 生 一 个 与 运 动 方 向 相 反 的 重 惯 性 力ｆ ＝ｍａ。 Ｍｉｈｅ Ｓｏ ｃ ｌ ｎ双 光 束 干 涉 仪利 用 两 臂长 度 差 变 化 来 测 量 加 速 度 信 号 。 加 速 度 传 在 感 器 中 ， 离 Ｘ的 变 化 量 公 与 惯 性 力 成 比 距 例 ， 与物 体 的 振 动 加 速 度 成 比 例 。 即 当振 动 频率达 到到振动子 的固有振动频率 时 ， 产 生 共 振 。 速 度 传 感 器 是 以 共 振 条 件 为界 加 限 ， 频 时 测 量 加 速 度 ， 频 时 测 量 位 移 低 高
系统 构 成 。
关键 词 ： 光纤加速度 传感器 相位调制 光纤干 涉仪 中图 分类 号 ： Ｎ１ Ｔ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ
文 章编 号 ： ６ ４ ９ Ｘ（ ０ ０ １ （） ０ ９ １ １ ７ —０ ８ ２ １ ） ０ｂ一０ ４ —０ ３ ２光纤干 涉仪 （ ） 纤 干 涉 仪 原 理 １光 光 纤 相 位 传 感 器 要 求 由 干 涉 仪 实 现 相 位 检 测 过程 。 光波 的 干 涉测 量 中 ， 播 的 在 传 光 波 可 能 是 两 束 或 多 束 相 干 光 。 光 波 的 在 干 涉 测 量 中 ， 波 可 能 是 两 束 或 多 束 相 干 光 光。 （） ｅ ｅ Ｓ ｎ ２ Ｍｉ １ ｏ 光纤 干涉 仪 ｈ 分 束 器将 激光 器输 出 的 单 色 光 分 成 光 强 相等 的两 束 光 。 束通 过 固定 反 射 镜 ， 一 反 射 回分 束 器 ， 探 测 器 接 收 ， 回 到 激 光 被 返 器。 另一 束 光 入 射 到 可移 动 反 射 镜 上 ， 反射 回 分束 器上 ， 分 束 器传 至 光 探 测 器 。 经 当两 反射 镜 到 分 束 器 间的 光 程 差 小 于 激 光 器的 相 干 长 度 时 ， 到 光 探 测 器 上 的 两 相 干 光 射 束便产生干涉 ， 涉光强确定。 干 ３ ３基于 Ｍｉｈ ＩＯ 干 涉仪 的加 速度 传感器 ． ｃｅＳ ｎ Ｍｉｈｅｓ ｎ 光 束干 涉 仪将 外界 信 号带 ｃ ｌｏ 双 来 相 位 移 变 化 转 换 为 光 强 的 变 化 。 涉 仪 干 将 振 动 加 速 度 造 成 的 光 相位 变化 转 化 为 光 强 变 化 ， 通 过 光 电 转 换 器 将 转 变 为 电 压 再 信号 ， 电路 信 号 处 理 ， 电压 信号 中提 取 作 从 用 在 干 涉 仪 上 的加 速 度 信 号 。 光纤 加 速 度传 感 器 是 一 种 简 谐 振 子 的 结 构 形 式 。 光 束 通 过 分 光 板 后 分 为 两 束 激 光， 透射 光 作 为 参 考 光 束 ， 射光 作 为 测量 反 光束。 当传 感 器 感 受 加 速 度时 ， 由于 质 量块 Ｍ对 光 纤 的 作 用 ， 而 使 光 纤 被 拉 伸 ， 从 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 。 光 干 涉 仪 的 干 涉 条纹 的 移 动 可 由光 激 电 接 收 装 置 转 换 为 电 信 号 ， 过 处 理 电路 经 处 理 后 便 可 正 确 地 测 出加 速 度 值 。 纤 加 光 速 度传 感 器 分 为 五 类 ： 位 调 制 型 、 度调 相 强 制 型 、 振 态 调 制 型 、 长 调 制 型 和模 式 调 偏 波 制 型 。 纤 加 速 度 传 感 器 最 适 合 测 量 微 小 光 振 动加速度 ， 由重 物 、 尼 器 、 簧 构 成 的 阻 弹 振 动 子 组 成 。 框 架 随 振 动 物 体 做 低 频 振 当 动 时 ， 物 上 产 生 一 个 与 运 动 方 向 相 反 的 重 惯 性 力ｆ ＝ｍａ。 Ｍｉｈｅ Ｓｏ ｃ ｌ ｎ双 光 束 干 涉 仪利 用 两 臂长 度 差 变 化 来 测 量 加 速 度 信 号 。 加 速 度 传 在 感 器 中 ， 离 Ｘ的 变 化 量 公 与 惯 性 力 成 比 距 例 ， 与物 体 的 振 动 加 速 度 成 比 例 。 即 当振 动 频率达 到到振动子 的固有振动频率 时 ， 产 生 共 振 。 速 度 传 感 器 是 以 共 振 条 件 为界 加 限 ， 频 时 测 量 加 速 度 ， 频 时 测 量 位 移 低 高
光纤加速度传感器的研究进展
的质量块 ， 此 时 光 栅 与 悬 臂 梁 的 中 性 层所 成 的 角 度 为９． ６ 。 。 加 速 度 的 变 化 会 引起 光
带 宽 与 加 速 度 大 小 成 线性 关 系 ， 且 灵 敏 度
需 求 促 进 了加 速 度 传 感 器 的 不 断 发 展 ， 从 导 致 激 光 偏 振 态 的 改 变 。 从 另外 一 端 输 出 上 的 硅微 反射 镜 形 成一 个 Ｆ — Ｐ 谐振 腔 。 在Ｖ 的偏 振 光 经过 检 偏 器 后 通 过 光 电二 极 管 来 形 槽 与 光 纤 固 定 支 架 之 间 装 有 一 个 ＰＺ Ｔ， 检测 ， 不 同 的 加 速 度 大 小 对 应 不 同 的 偏 振 通 过 施 加 音 频 信 号 对 腔 长 生 成 相 位 载 波 （ Ｐ ＧＣ） 调制 ， 腔 长 的 变化 与光 纤轴 向方 向 的
Ｆ Ｐ ｅ ｎ ｇ 等人 于２ Ｏ １ ２ 年 设计 了一种 紧凑 温 度 不 敏 感 型 加 速 度 传 感 的 目 的 。 ｗ － Ｊ
１ 光纤 光学加速 度传感器
１ ． 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 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 。
种 类 繁 多 的 加 速 度 传 感 器结 构 ， 而 光 纤 加 态 ， 即 不 同 的 接收 光 强 ［ 】 １ 。 速 度 传 感 器 相 比 于 硅 微 电 子 式加 速 度传 感 １ ． ２相位 调 制型 器来说 ， 高精度 、 不受电磁干扰 、 能 在 恶 劣
一种光纤加速度计传感原理的物理学分析
向收缩 ， 向压 缩 时横 向膨 胀 ． 纵 由于单 模 光 纤 紧紧
缠绕在弹性柱体上 ， 设每一 圈缠绕在它上面 的光
纤长 度为 兀 ， ｄ Ⅳ圈缠 绕光 纤总 长度 Ｌ＝Ⅳ７ ， 以 ｃ 所 ｄ 当 弹性柱 体 的 直径 发 生 变 化 时 ， 导 致 紧 密 缠 绕 将 在它 上面 的 光纤 长 度 也 随 之跟 着 变 化 ， 定 总 长 假 度 变 化 为 △ 将 ｄ＝ Ｌ Ｎａ代 人 式 （ ） 可 得 ， ／ ２，
ｃ ｌｒ ｔ ｎ ｓｇ ａ ｄ ｔｅ ｏ ｔｕ ｈ ｓ ｉ ｅ ｅ ｃ ｎ ｄ ｔｉ，ａ ｄ ｄ ｓ ｕ ｓ ｓｔｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｄ ｌ ｎ ｄ ｒｌｔ ｅｅａ ｉ ｉ ｌ ａ ｕｐ ｔｐ ａｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｉ ｅａｌ ｎ ｉｃ ｓｅ ｃ ａ ｉａ ｍｏ ｅ ，ａ ｅａ－ ｏ ｎ ｎ ｅ ｓｔ ｉ ｅ ａａ ｔｒ ｆ ｃ ｅｅａｉｎｐ ａｅｓｎｉｖｔ． ｓ ａ ｏ ｓ ｉ ｙ
Ｋｅ ｒ ｓ：ｆ ｅ － ｐｉ ｃ ｅｅ ｏ ｔｒ ｓ ｎ ｉｇ；ｎ ｅｆｒｎ ｅ ａ ｃ ｌｒｔｏ ｐ ａｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ｉ ｒｏ ｔ ａ ｃ ｌｒｍｅｅ ； ｅ ｓｎ ｉｔｒｅ ｃ ； ｃ ｅｅａｉｎ； ｈ ｓ ｉｆｅ ｃ ｂ ｃ ｅ ｅ
光纤加 速度计 的研究 是 近些 年来 受 国 内外关
位调制型 ． 本研究基于第 ２ 类方法研究出了一种 Ｍ ｃ－Ｚｎｅ 光纤加 速度计， ａｈ ｅｄｒ － 并深人地分析 了传 感原理 的动态 特性与 相位调 制之 间的关 系 ．
注的研究课 题 ， 是研 究发 展传 感器 技术 的一 部 分ｌ ． １ 光纤加速度传感器 与传统加速度传感器相 Ｊ 比， 不但能抗电磁干扰 ， 而且具有体积小 ， 重量轻，
光纤光栅加速度传感器
传感器的标定测试：
加速度传感器的标定测试系统主要包括软件和硬件两部分。 其中硬件部分主 要包括振动台、信号源、功率放大器、电荷放大器和在控制箱。控制箱是系统主 控设备，其内部设有底层单片机，采集测试过程中的模拟信号，并转换成数字信 号上传给计算机；同时接收计算机的数字指令，传送给信号源，驱动信号源，经 功率放大后控制试验台进行激励扫频。 数字化标定系统组成如图所示：
4 E光纤 S光纤 ML光纤
传感器设计方案：
利用飞秒激光在光纤上刻制光栅，方法为光纤沿着 z 轴匀速移动，利用飞秒 激光器射出激光， 透过相位掩膜板的光束聚焦在光纤上进行曝光，从而在光纤上 形成光栅如图所示。
传感器的外壳以及弹性元件材料都为钢，可以使用机床直接进行加工。各个 部分都加工好之后， 将光纤光栅用胶水固定在弹性元件之上，然后将弹性元件以 及质量块一起安装到传感器的钢制壳体中进行封装。
2ma 1 P ES 其中上式中 P 0.22 是光纤的弹光系数， E 为钢片的弹性模量。上式为光纤光 栅波长改变量与加速度的线性变化关系。 根据上述公式可得到钢片的弹性系数为 ES K L 由此得到系统的无阻尼谐振频率：
f0
0 1 2 2
2 ES ML
f f1 f 2 f3 f 4 f5 f 6 f 7
即
f 1
2 ES3 1 2 ES1 2 ES2 1 (2 2 2 ) 2 ML1 ML2 ML3 2 ( 2 ES3 2 ES1 2 ES2 1 ) ML1 ML2 ML3 2
4 E光纤 S光纤 ML光纤
光纤传感器 研究与设计报告
题 姓 学 年 专
目： 名： 号： 级： 业：
光纤光栅加速度传感器
光纤加速度传感器的工作原理
光纤加速度传感器的工作原理引言：光纤加速度传感器是一种常用于工业和科学研究领域的传感器，它可以测量物体的加速度，并将其转化为光信号进行传输和处理。
本文将介绍光纤加速度传感器的工作原理及其应用。
一、光纤加速度传感器的基本原理光纤加速度传感器的工作原理基于光纤的光学特性和加速度对光纤的影响。
光纤是一种细长而柔软的光导纤维，通常由高折射率的芯和低折射率的包层构成。
当光线从高折射率的芯进入低折射率的包层时，会发生全反射现象，使光线在光纤中传输。
光纤加速度传感器利用光纤的这种传输特性，通过将光纤固定在测量物体上，并使其与物体一起运动，当物体发生加速度变化时，光纤也会随之发生微小的形变。
这种形变会影响光线在光纤中的传输，进而改变光纤输出的光信号。
通过测量光信号的变化，可以确定物体的加速度大小。
二、光纤加速度传感器的工作过程光纤加速度传感器的工作过程可以分为三个步骤：光源发射光束、光束在光纤中传输、光信号检测与处理。
1. 光源发射光束光纤加速度传感器通常使用激光二极管作为光源，激光二极管可以产生高亮度和窄束的光束。
光源发射的光束经过适当的光学系统聚焦到光纤的一端，形成入射光束。
2. 光束在光纤中传输入射光束进入光纤后，会在光纤中进行全反射，沿着光纤传输。
当光纤受到加速度作用时，由于光纤的形变，光束的传输路径会发生微小的改变。
这种改变会导致光纤输出的光信号发生变化。
3. 光信号检测与处理光纤输出的光信号进入光电探测器，光电探测器会将光信号转化为电信号。
通过对电信号进行放大和滤波处理，可以得到与加速度大小相关的电信号。
最后，将电信号传输到信号处理单元进行分析和处理，得到准确的加速度数值。
三、光纤加速度传感器的应用光纤加速度传感器具有精度高、抗干扰能力强、体积小等优点，广泛应用于多个领域。
1. 工业领域光纤加速度传感器可以用于检测机械设备的振动和冲击，实时监测设备的工作状态，预测设备的健康状况，及时进行维护和修理，提高设备的可靠性和使用寿命。
低频光纤Bragg光栅加速度传感器实验
Ｂａｇ ｒｇ 光栅加速度传感器 是利 用光栅 的波 长调制 原理 ， 即 利用 外界 的 微 扰 振 动来 改 变 光 栅 的 栅 距 ， 转 化 为对 应 的 波 再
＾
长 变 化 量 ， 过 检 测 波 长 的 变 化 来 测 量 加 速 度 的 大 小 。 结 通 构 如 图 １ 示 ， 纤 光 栅 两 端 直 接 固定 在 外 壳 上 ， 免 了 所 光 避
２ 低 频 光 纤 Ｂ ａｇ光 栅 加 速 度 传 感 器 阵 列 ｒｇ
测试
为 了掌 握 实 际制 作 的 悬 臂 梁 式 低 频 光 纤 光 栅 加 速 度 传
这样 ， 加 速度 传 感 器 在 其 工 作 频 带 内工 作 时 ， 纤 光 当 光
栅 的应 变为
ａ ／ｂ ａ ｍ 一 ／ｂ ， 、
到很好 的保护 。２ ０ 同济 大学 的沈洋和孙 利 民 设 计 ０ ９年 了 一种 新 型 的高 灵 敏 度 温 度 自补 偿 型 光 纤 光 栅 加 速 度 传 感
器 ， 过 参 数 优 化 ， 保 证 量 程 和 量 测 频 率 范 围 的前 提 下 使 通 在
该系统 的运 动都 可 看作 弹簧 （ ）一阻 尼 （ ）一质 量 块 ｃ （ｎ 的单 自 由度 系 统 ， ｒ） 系统 的 动力 学 方 程 为
硕
４０３ ） ３０ ３
摘 要 ： 低 频 光纤 Ｂａｇ 栅 加 速 度 传 感 器 的原 理 进 行 了分 析 ， ～ 种 基 于 悬 臂 梁 结 构 的 、 低 频 光 纤 Ｂａｇ 栅 对 ｒｇ 光 对 ４元 ｒｇ 光 加 速 度 传 感 器 阵 列 的 加 速 度 灵 敏 度 、 性 度 以 及 动 态 范 围 等 性 能 参 数 进 行 了实 验 研 究 。 结 果 表 明 ： 种 低 频 光 纤 线 这
一种光纤光栅加速度传感系统
１ 传感及解调 系统 工作原 理
为了检测振动引起光栅中心波长的微小偏移 ， ２ 光纤光栅传感器解调过程需要把波长编码信息转化 为 ］
收 稿 日期 ：０ ８０—７ ２０—８２
基金项 目： 国家高技术研究发展计划 （ ３ 划） 目（０６ Ａ ６ ２７ ２０ Ａ ０ Ｚ １ ） ８ 计 ６ 项 ２０ Ａ ０Ｚ０ ； ６ Ａ ６ ２３ 。 ０ 作者简介 ： 良柱 （ ８ 一）男 ， 马 １ ３ ， 助理工程师 ， ９ 主要从事光纤传感器及应用研究 。Ｅ ｍ ｉ ｘ ｏ ａ３７ ６ ． ． ａ ：ｉ ｍ １ ＠１３ ㈣ ｌ ａ ５
ａ ｃ ｌ ｒｔ ｎ ｔ ｈ ｇ ｈｅ ｃ ｎｒ ｌｗａ ｅｅ ｇｈ ｏ ＢＧ，ａ ｄ ｗｈｃ ａ ｆ ｃ ｉｅｙ ｅｉ ｎ ｔ ｅ ｅ ｅ ｔ ｏ ｃ ｅｅ ｉ ｏ ｃ ａ ｅ ｔ ｅ ｔａ ｖ ｌｎ ｔ ｆ Ｆ ａ ｏ ｎ ｎ ｉｈ ｃ ｎ ｅ ｅ ｔ ｌ ｌｍ ａｅ ｔ ｆ ｃ ｆ ｖ ｉ ｈ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｒｆ ｏ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｏ ｙ ａ ｃ ｓｒ ｉ Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ｏ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｄ ｉｔ ｎ ｔ ａ ｕ ｅ ｎ ｆｄ ｎ ｍｉ ｔａ ｎ． ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｅ ｓ ｒｗｈ ｓ ｒｑ ｅ ｃ ｈ ｓ ｈ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ｓ ａ ｅ ｒｓ ｎ ｓ ｌｗ－ ｏ ｔ ｉｈ ｐ ｅ ｉｉｎ ＢＧ ａ ｃ ｌｒｔｏ ｓ ｎ ｏ ｓ ｓｅ ， ｗｈ ｃ ｉ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｐ ｅ ｅ ｔ ａ ｏ ｃ ｓ ｈ ｇ — ｒｃｓｏ Ｆ ｃ ｅｅ ｉｎ ｅ ｓ ｒ ｙ ｔｍ ａ ｉｈ ｓ ａ ｐｉａ ｌ ｔ ｓ ｃ ｅ ｇｎ ｅｉ ｇ Ｈ ｐ ｌ ｂ ｅ ｏ ｕ ｈ ｎ ｉｅ ｒｎ ａ 璐 ｃ ａ ｓ ｉｍｉ ｅ ｐ ｏａｉｎ， ｍ ｎ ｓ ｆｔ ｓ ｅｓ ｃ ｘ ｌｒｔｏ ｉ ｅ ａｅｙ， ｅｃ． ｗｈｃ ｅ ｌｙ ｔ ， ｉｈ ｍｐｏ ｓ
电子教材-光纤加速度计传感原理的物理学分析
３）光弹效应的相位调制
△％＝抵￡｛ｅ２一吉拄２［（尸ｔｔ＋Ｐ屹）”Ｐｔ２ｅ２１｝
（１０）
由式（８）、（９）和（１０）联立可得总的光波相位
变化量为
△垂∑＝ｎＫｏＡＬ｛２ｅ２一ｎ２［（Ｐｌｌ＋Ｐｉ２）￡ｌ＋Ｐ１２Ｅ＇２］＋
引ｄ叩ｇ、Ｊｓｔ）
…）
将式（１１）中的最后一项化简为
鑫（裴）ｅｔ＝－－蕊钆¨ｌ，ｄＬ口／ｔ，）一ｅｌ￡：Ａｎ珏 （１２）
Ｅ硒一
∞ｅｒｉＩｌｇ，２００５，４３：５１ｌ一５１６．
ｏｆ咖ｃａＩ 【４］Ｂｙｏｕｎｇｈｏ Ｌ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｓｔａｔｕａ
Ｆｉｂｅｒ
Ｓｅｎ螂［Ｊ】．Ｏｐｄｃａ【Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，９：５７—６８．
ａｎ嘶ｅｗ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ［５］（；ｒａｔｔａｎ Ｋ Ｔ Ｖ，Ｓｕｎ Ｄｒ Ｔ．Ｆｉｂｅｒ ０面ｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：
单模光纤
图１光纤加速度计原理框图
２加速度与相位差的关系
从上面的原理分析可知，当敏感质量块ｍ受
到惯性力Ｆ（Ｆ＝氍）的作用时，弹性柱体在轴向
承受惯性力Ｆ的作用，则弹性圆柱应变的一般表 达式为【６】
￡＝磊（ｃｏｓ２ａ一，ｕｓｉｎ２ａ）
（１）
其中：Ｆ为沿轴线方向上的作用力；Ｅ为弹性柱体
的弹性模量；弘为弹性柱体的泊松比；Ａ为弹性桂
测信号的加速度与干涉输出的相位差之间的关系表达式，并讨论了决定加速度相位灵敏度的相
应参数．
关键词：光纤加速度计；传感；干涉；加速度；相位差
中图分类号：７ＩＨ｛泓
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１—０９２４（２０嘴）１２一００９０一０Ｂ
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｏｎｅ Ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ
△％＝抵￡｛ｅ２一吉拄２［（尸ｔｔ＋Ｐ屹）”Ｐｔ２ｅ２１｝
（１０）
由式（８）、（９）和（１０）联立可得总的光波相位
变化量为
△垂∑＝ｎＫｏＡＬ｛２ｅ２一ｎ２［（Ｐｌｌ＋Ｐｉ２）￡ｌ＋Ｐ１２Ｅ＇２］＋
引ｄ叩ｇ、Ｊｓｔ）
…）
将式（１１）中的最后一项化简为
鑫（裴）ｅｔ＝－－蕊钆¨ｌ，ｄＬ口／ｔ，）一ｅｌ￡：Ａｎ珏 （１２）
Ｅ硒一
∞ｅｒｉＩｌｇ，２００５，４３：５１ｌ一５１６．
ｏｆ咖ｃａＩ 【４］Ｂｙｏｕｎｇｈｏ Ｌ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｓｔａｔｕａ
Ｆｉｂｅｒ
Ｓｅｎ螂［Ｊ】．Ｏｐｄｃａ【Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，９：５７—６８．
ａｎ嘶ｅｗ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ［５］（；ｒａｔｔａｎ Ｋ Ｔ Ｖ，Ｓｕｎ Ｄｒ Ｔ．Ｆｉｂｅｒ ０面ｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：
单模光纤
图１光纤加速度计原理框图
２加速度与相位差的关系
从上面的原理分析可知，当敏感质量块ｍ受
到惯性力Ｆ（Ｆ＝氍）的作用时，弹性柱体在轴向
承受惯性力Ｆ的作用，则弹性圆柱应变的一般表 达式为【６】
￡＝磊（ｃｏｓ２ａ一，ｕｓｉｎ２ａ）
（１）
其中：Ｆ为沿轴线方向上的作用力；Ｅ为弹性柱体
的弹性模量；弘为弹性柱体的泊松比；Ａ为弹性桂
测信号的加速度与干涉输出的相位差之间的关系表达式，并讨论了决定加速度相位灵敏度的相
应参数．
关键词：光纤加速度计；传感；干涉；加速度；相位差
中图分类号：７ＩＨ｛泓
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１—０９２４（２０嘴）１２一００９０一０Ｂ
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｏｎｅ Ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ
光纤传感器
光纤传感器光纤传感器概述光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最初的研究是用于光通信技术中。
用于传感器技术始于1977年，至今光纤传感器已日趋成熟。
光纤传感器与传统的传感器相比具有许多优点：灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。
可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测量，发展极为迅速，在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学技术研究中有着广泛的应用。
光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。
根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。
常用的光源有激光二极管和发光二极管。
激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。
而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。
除此之外，还有采用白炽灯等作光源。
1.结构光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。
光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。
2.分类按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。
按照光的作用分类1）物性型（功能型）光纤传感器物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
2）结构型（非功能型）光纤传感器结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。
其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
根据光受被测对象的调制形式1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。
有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。
一种RIM型低频振动光纤加速度传感器的设计
一
种 ＲＩ 型 低 频 振 动 光 纤加 速 度传 感器 的设 计 Ｍ
付江志 ， 曹家年
（ 尔滨 工程 大学 信息与通信工程学院， 哈 黑龙 江 哈 尔滨 １０ ０ ） ５０ １
摘
要： 设计 了一种反射式光强调制光纤 传感器（ Ｍ— ））用 于测 量低频振动加 速度信号 ． ＲＩ Ｓ ， 由于 只采用一 根单模
相应 的加速度 ． 目前研 制 的光纤 加 速 度 传感 器 主 要
有 光强 调制 型与相 位 调 制 型 ２大 类 ． 以光 强调 制 原
理 为基 础设计 的反 射 式 光纤 传 感 器 ， 利用 光 纤 与 是 光 学 系统相对 耦合 并通 过 电路 对所测 信号 进行技 术 处理 ， 而获 得所 需信 息 ． 优 点 是 反应 速 度 快 、 从 其 精 度 高 、 构简 单 ， 有 利 于传 感 器结 构 的小 型 化 ． 结 并 由 于这些优 点 ， 并考虑 简化传 感 系统 的结 构 ， 出了一 提
（ ｈｏ ｏ ｎｏｍａｉ ｎ ｏ ｕ ｕ ｉ ｔ ｎＥ ｇｎｅｉｇＨａｂ ｎｉｅｒ ｇＵｎｖｒｔ ， ａｂ ５ ０ １Ｃ ｉ ） ｃ Ｓ ｏ ｌ ｆ ｆｒ ｔ ｎａ ｄＣ ｎ＇ ｎ ａｉ ｎ ｉ ｒ ， ｒｉ Ｅ ｇｎｅｉ ｉ ｓ ｙＨ ｒｉ １０ ０ ， ｈｎ Ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｅ ｎ ｎ ｎ ｅｉ ｎ ａ Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａ ｅｌｃｉｅｉｔｎ ｉ ｄ ｌｔｄｆ ｅ ｐｉ ｅ ｓ ｒｉ ｄ ｓｇ ｅ ，ｗｈｃ ａ ｅ ａ ｐｉｄ ｉ ｈ ａ ｕ ｅ ｒｆ ｔ ｅ ｓｔ ｍｏ ｕａｅ ｉ ｒｏ ｔ ｓｎ ｏ ｅｉｎ ｄ ｅ ｖ ｎ ｙ ｂ ｃ ｓ ｉｈ ｃ ｎ ｂ ｐ ｌ ｎ ｔ ｅｍｅ ｓ ｒ — ｅ ｍｅ ｔ ｆ ｃｅｅａ ｉｎｓｇ ａ ｗ ｒｑ ｅ ｃ ｉｒｔ ｎ ｎ ｃ ｌｒｔ ｉｎ ｌｎ ｌ ｆｅ ｕ ｎ ｙｖｂ ａ ｉ ．Ｔｈ ｏ ｆ ｕ ａｉｎｉ ｃ ｍｐ ｃ ｎ ｅｉａｅｓｎ ｅｏ ｅｓｎ ｌ ｏ ａ ｏ ｉ ｏ ｏ ｅｃ ｎ ｉ ｒ ｔ ｓ ｏ ａ ｔ ｄ ｄ ｌ ｔ ｉｃ ｎ ｉｇｅ ｇ ｏ ａ ｃ ｍｏ ｕｅｆ ｅ ｓ ｄｆ ｒ￣ｎ ｉｇ ａ ｄ ｒｃｉｉｇ．Ｉｓｍａ ｈ ｍａ ｉ ｍｏ ｅ ｉ ｂ ｉｆｕ ｄ ｒｃ ｒａｎｃ ｎ ｉ ｏ ｓａ ｄ ｒｎ — ｄ ｌ ｉ ｒｉ ｕ ｏ ｂ ｓ ｅ ｄｎ ｎ ｅ ｅｖｎ ｔ ｔ ｅ ｔ ｄ ｌ ｓ ｒｅ ｎ ｅ ｅｔｉ ｏ ｄｔ ｎ ｎ ａ ｇ ｃ ｉ ｅ ．Ｂｙｍｅ ｎ ｆｎ ｍ ｅｉａ ａ ｄ ｌ ｅ ｒｐ ｏ ｅｓ ｅ ｌ ｉ ｎ ｎ ｉｔｒｅ ｏ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｖｂ ａｉｎ ａ ｃ ｌｒｔ ｎ ｓ ａ ｓｏ ｕ ｒｃｌ ｎ ｉ ａ ｒｃｓ ，ａ ｒａ— ｍｅａ ｄ ｕ ｄｓｏ ｔｄ ｌｗ ｒｑ ｅ ｃ ｉｒｔ ｃｅｅ ａｉ ｎ ｔ ｏ ｏ ｓ ｎ ｌ ａ ｅｏ ｔｉｅ ．Ｔｈ ｈ ｒｃｅｉｔ ｓｏ ｅｓ ｎ ｒｉ ｔａ ｈ ｉｎ ｌ ｉｔｒｉｎｉ ｓ ｌａ ｄｔ ｅｓａｉ ｒｆ ｏ ｉ ａ ｃ ｎ ｂ ｂａｎ ｄ ｇ ｅｃ ａａ ｔｒｓｉ ｆ ｈ ｅ ｓ ｈ ｔｔｅｓ ａ ｄｓｏ ｔ ｍａｌ ｎ ｈ ｔｔ ｄ ｉ ｆ ｃ ｔ ｏ ｓ ｇ ｏ ｓ ｃ ｔ ｔ ｅｉｉａ ｉ ｌｃｍｅ ｔｄ ｉ ｓｎ ｔｓｎ ｉｖ ． ｈ ｎｔ ｌ ｓ ａ ｅ ｎ ｒｆ ｉ ｏ ｓ ｉｅ ｉ ｄ ｐ ｔ ｅ ｔ
MEMS新型光纤加速度传感器设计
１ Ｉ 型微 传感器机构
传 感 器结 构如 图 １称 之为 Ｉ 微传 感 器 。在 硅 ， 型
基 上 ， 用 双 面刻蚀 获 得 图 １ 示 机构 ， 括 中心 质 采 所 包
２１ ０ ０年 ３月 １ ５日收 到
图１ Ｉ 型加速度传感 器结构
传感 结 构 中质 量 块 的 长 宽 高 尺 寸 分 别 为 ：
程差 ， 通过 测量 通 过光 纤 的光 强 变 化 而 得 到 加 速 度 的大小 。
！
学、 学、 力 自动 控制 学 、 料 科 学 等 多 种 工 程 技术 和 材 学科 ， 是一 个新 兴 的 、 学科 交 叉 、 技 术 融 合 的 高 多 多 科 技领 域 。
作 为微 传 感 器 的重 要 分 支 之 一 的微 加 速 度 传 感 器一 直 是 热 门 的 研 究 课 题 。尽 管 各 类 加 速 度 传
光 干涉 的光 强 。
２ 测量原理
图 ２迈克 尔逊全 光纤 干涉 仪 的结 构 。
在 式 （ ） ， 干项 可表示 为 １中 相
， ＝２￣ １ｃｓ 一 ） ｉ ／１ ｏ（ ，， ≠Ｊ ，２
（） ２
式 （ ） ， 、 为 干涉 仪 两臂 的光纤 端 面 反射 光 ２ 中 ：
感器 ， 阐述 了该种 干涉型光纤加速 度 计 的结 构设 计 及工 作 原理 ， 使 用 光纤进 行 传输 ， 仅 有效 地避 免 了光 纤各 类形 变造 成 的
影 响。
关键词
ＭＥ ＭＳ
光纤加速度计
干涉
文献标志码
光 强
Ａ
中图法分类号
Ｔ ２２１ ； Ｐ １ ．２
微 电子机 械 系统 （ ＭＳ 是 在 微 电 子技 术 基 础 ＭＥ ） 上发 展起来 的多 学科 交 叉 的新 兴 学 科 ， 以微 电子 它
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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
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
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
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
n
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
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：弹来自橡胶柱 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 )
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
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。
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
设
xs X se
j t
, xr X r e
,
则 A e j t , A 2 X xs s s
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2
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2
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2
2
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2
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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
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
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
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
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
n
k m
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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
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：弹来自橡胶柱 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 )
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
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。
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
设
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则 A e j t , A 2 X xs s s
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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