CN112485467A - 一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的温度补偿加速度计 - Google Patents
一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的温度补偿加速度计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的温度补偿加速度计。采用全保偏光纤干涉仪作为传感光路，将干涉仪一传感臂错轴焊接实现双臂异轴干涉，并使干涉仪两传感臂光纤同时对应变、温度敏感；将保偏光纤干涉仪与推挽式机械拾振结构复合，利用拾振结构将加速度转换为光纤应变，在同一传感器中构建两套同时对温度和加速度具有不同响应的传感***。在该传感器中，两套传感***的温度响应和加速度响应分别为两传感臂光纤温度效应差值与应变效应之和，在平衡干涉仪下，两套传感***温度响应系数数值相等且符号相反，而加速度响应符号相同。将两套传感***相位响应相加，在消除温度响应的同时，增加应变响应，提升传感器的加速度灵敏度。
Description
技术领域
本发明设计属于光纤传感技术领域，具体涉及到一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的温度补偿加速度计。
背景技术
加速度是描述物体运动状态的重要物理量，而用于测量加速度的仪器称为加速度计，加速度计是控制检测设备、制导导航的重要测量元件。光纤加速度计相对于传统加速度计来说，具有体小质轻、灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、可在恶劣环境下工作等优点，因此得到广泛应用。由于光纤材料的温度敏感特性，光纤传感器对温度变化非常敏感，因此此类传感器存在严重的温度交叉敏感问题，这阻碍了光纤传感器的测量精度提升与工程应用推广。为解决光纤传感器的温度交叉敏感问题，研究人员发展了多种温度补偿方法，包括数据处理补偿法、结构补偿法、参考干涉仪法、双传感法等。
数据处理补偿法是首先获取温度对干涉仪的影响，进而在最终得到的结果中利用数据处理来将温度漂移去除。2009年上海亨通光电科技有限公司虞翔等人提出的光纤陀螺仪温度补偿方法(CN101738204B)中，先采集全温循环对光纤陀螺仪的影响，再利用数据处理将此信号抑制，进行温度效应的补偿。但只能处理已知的温度变化对其带来的影响，实用性不高。
结构补偿法通过在干涉仪中设计一个特殊结构来限制干涉仪对受温度影响而发生的变化，从而实现温度漂移的弥补。2012年重庆大学的朱涛等人提出了一种具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器(CN102721828B)，此发明使用的是结构补偿法，通过设计结构参数来降低以至于消除温度的影响。
参考测量***法，在测量***中设置只对温度敏感的参考传感器获取温度信息，然后从测量信息中消除温度影响获得待测量信息。如2009年东南大学的李爱群等人提出一种光纤光栅应变温度同时测量传感器(CN200920040685.7)，利用两段相同光纤光栅分别只对温度以及同时对温度、应变敏感；但该方法需两套传感***完全相同，实际应用中很难保证两者完全一致。
双传感法指的是利用两个对待测量和温度具有不同响应的传感器同时对两者进行传感，或是在单一传感器内实现同时对待测量和温度敏感的两种响应参量，实现两者同时测量。2015年中国计量学院卞继城等人提出一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器(CN201520488312.1)，利用特种光纤使得包层模式和纤芯模式形成马赫泽德干涉仪来实现温度和应变同时测量的功能，消除两者的串扰；但特种光纤成本较高，且受限于光纤拉制技术，部分特种光纤质量不稳定导致传感器的性能不一致。
光纤加速度计常见的结构是利用光纤干涉仪与机械拾振结构复合，由机械拾振结构将加速度信息转变为传感光纤的应变信息，因此对于光纤干涉仪，加速度温度同时测量等效于应变温度同时测量。为解决光纤干涉仪温度交叉敏感问题，2017年哈尔滨工程大学杨军等人提出一种高精度应变与温度同时测量的保偏光纤干涉仪(CN201711309566.2)与非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量的方法及装置(CN201711310550.3)，利用光可在保偏光纤双轴同时独立传输的特性，搭建全保偏光纤干涉仪，在同一干涉仪中实现两套传感***，这两套传感***分别对温度和应变有不同的响应，由此得到2×2本征响应矩阵实现温度、应变同时测量。然而保偏光纤双轴参数十分接近，因此本征响应矩阵近似病态矩阵(即矩阵中系数非常接近导致其微小变化都会使计算结果产生较大的偏差)，导致温度、应变两者的分离结果含有很大的串扰项，很难实现彻底的分离。发明专利非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量的方法及装置虽通过矩阵变换得到理想矩阵，但无法改变本征响应矩阵的非理想性，因此该方法也难以实现高精度的温度补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的温度补偿加速度计，利用本发明可以有效解决温度与应变交叉敏感问题，实现温度和应变响应的彻底分离，完成两者同时精确测量。
本发明提出了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的温度补偿加速度计，包括：窄线宽激光光源101、全保偏光纤平衡干涉仪110、偏振分束差分探测装置120、采集控制与信息处理装置130、推挽式拾振结构140，其中：
1)窄带宽激光光源101经过起偏器102与第一保偏耦合器111输入端连接；第二保偏耦合器114两输出端分别与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122连接；采集控制器131分别与第一保偏耦合器111以及第一差分探测器123与125、第二差分探测器124、126连接；第一传感光纤112、第二传感光纤113与弹性体141进行复合；
2)全保偏光纤平衡干涉仪110中，第一保偏耦合器111的两输出端光纤分别与第一传感光纤112、第二传感光纤113连接，连接处保偏光纤的对轴角度115、136为0°～45°；第一传感光纤112、第二传感光纤113分别与第二保偏耦合器114的两输出端光纤连接，其中第二传感光纤113与第二保偏耦合器114连接处保偏光纤的对轴角度117为0°～90°；第一传感光纤112、第二传感光纤113长度相等；第二传感光纤113的输入光纤缠绕在相位调制器118上；
3)推挽式拾振结构140中，***壳体143把持固定弹性体141，质量块142固定在弹性体141上，第一传感光纤112、第二传感光纤113分别固定在弹性体141的两个应变面上；
4)偏振分束差分探测装置120中，第一差分探测器123、125与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122快轴信号输出端连接，第二差分探测器124、126与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122慢轴信号输出端连接；
所述的第一保偏耦合器111工作波长范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，最优分光比为50:50。
所述的起偏器102、第二保偏耦合器114、第一传感光纤112、第二传感光纤113工作波长范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，尾纤均为保偏光纤；第二保偏耦合器114为2×2保偏光纤耦合器，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作；
所述的第一偏振分束器121、第二偏振分束器122、第一差分探测器123、125、第二差分探测器124、126波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，第一偏振分束器121、第二偏振分束器122的输入光纤均为保偏光纤；
利用保偏光纤双臂异轴干涉仪实现加速度计温度补偿的方法是：
首先，搭建全保偏光纤平衡干涉仪110实现双臂异轴干涉，调节第一传感光纤112、第二传感光纤113长度使两者相等；
其次，将全保偏光纤平衡干涉仪110的第一传感光纤112、第二传感光纤113与弹性体141进行复合，并将弹性体141、质量块142、***壳体143组装成光纤加速度计；
再次，将光纤加速度计放到测试环境中，并利用采集控制与信息处理装置130对加速度计中两套传感***的相位信息分别进行解调；
最后，将解调出的两套传感***相位响应求和，得到加速度计总响应，即可实现温度补偿、提升灵敏度。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)将保偏光纤双臂异轴干涉仪与推挽式机械拾振结构复合，构建两套同时对温度和加速度具有不同响应的传感***，在平衡干涉仪下，两套***温度响应系数数值相等且符号相反，而加速度响应数值相等且符号相同，将两套***响应相加，消除温度影响的同时，增加加速度响应，提升加速度灵敏度。
(2)***采用差分探测装置，利用偏振分束器将传感器两套传感信号进行分离，并将两套传感信号分别进行差分，抑制了传感信号中的光源RIN噪声；同时***采用平衡干涉仪，臂长差为零以抑制光源频率噪声产生的相位噪声，在降低***噪声的同时提升了测量分辨率。
(3)***采用全保偏光纤光路设计，保偏光纤具有保持传输光偏振态的功能，这避免了普通单模光纤干涉仪中由于偏振态的随机变化而存在的偏振衰落问题，提高了干涉信号的稳定性，进而提高了***装置性能的稳定性。
(4)***采用全保偏光纤干涉仪作为传感光路，并将干涉仪一传感臂错轴焊接实现双臂异轴干涉，传感光路结构简单、灵活易变，可以和多种物理参量的机械换能结构结合，实现多种参量的光纤传感器温度补偿与灵敏度提升。
附图说明
图1是基于保偏MZ光纤干涉仪双臂异轴干涉传感光路原理图。
图2是基于推挽式盘式结构的加速度计拾振换能装置结构示意图。
图3是基于推挽式顺便柱体结构的加速度计拾振换能装置结构示意图。
图4是基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的温度补偿加速度计流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明是对光纤加速度计传感技术的改进。目前，由于光纤材料的温度敏感特性，光纤加速度计对温度变化非常敏感，因此此类传感器存在严重的温度交叉敏感问题，这阻碍了光纤加速度计的测量精度提升与工程应用推广。
本发明提供了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的温度补偿加速度计，解决光纤加速度计面临的上述问题。实现本发明的上述目的所采取的技术方案是利用全保偏光纤干涉仪作为传感光路，并将两传感臂光纤与推挽式机械拾振结构复合，利用拾振结构将加速度转换为光纤应变；将干涉仪一传感臂错轴焊接实现双臂异轴干涉，并使两传感臂光纤同时对应变、温度敏感，在同一传感器中构建对温度和加速度具有不同响应的两套传感***。在该传感器中，两套传感***的加速度响应为两传感臂光纤应变效应之和，而两套传感***的温度响应为两传感臂光纤温度效应差值，当两传感臂光纤长度相等时，两套***温度响应系数数值相等且符号相反，而加速度响应数值相等且符号相同，将两套***响应相加，消除温度影响的同时，增加加速度响应，提升加速度灵敏度。
以图1中保偏MZ光纤干涉仪为例进行理论推导。设图1中保偏MZ光纤干涉仪各相关参数为：光源中心波长为λ；保偏光纤双折射率分别为nf，ns；第一传感臂光纤长度为L1；第二传感臂光纤长度为L2；第一传感臂光纤、第二传感臂光纤同时对温度、应变敏感，加速度通过拾振结构转换为光纤应变。
该干涉仪产生的相位为：
干涉仪采用稳频光源时，其产生的相位变化：
折射率的变化：
Δn＝Δnε+ΔnT＝βn3ε+nCΔT (3)
其中Δnε为应变产生的折射率变化；ΔnT为温度产生的折射率变化；C为热光系数；β＝-[(1-ν)p12-νp11]/2，ν为石英泊松比，p11和p12为弹光系数；ε为应变，ΔT为温度变化。
光纤长度为ΔL：(其中α为光纤的热膨胀系数)
ΔL＝εL+αLΔT (4)
干涉仪的相位变化：
保偏光纤干涉仪的双臂异轴干涉输出相位(其中保偏光纤双轴热光系数分别为Cf，Cs)：
当L1＝L2＝L时，有：
由式(7)可知，当干涉仪为平衡干涉仪时，两套传感***的温度响应系数数值相等且符号相反，而应变响应系数数值相等且符号相同，由此令两套传感***相位相加，可在在消除温度响应实现温度补偿的同时，增加应变响应，提升传感器的加速度灵敏度。则传感器的最终响应为：
实施例1
如图2-图4所示，一种基于推挽式顺便柱体结构的保偏光纤双臂异轴干涉仪加速度计温度补偿方法，推挽式顺便柱体结构如图3所示。
窄线宽激光光源101、全保偏光纤平衡干涉仪110、偏振分束差分探测装置120、采集控制与信息处理装置130、推挽式拾振结构140四部分组成，其中：
1)窄带宽激光光源101经过起偏器102与第一保偏耦合器111输入端连接；第二保偏耦合器114两输出端分别与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122连接；采集控制器131分别与第一保偏耦合器111以及第一差分探测器123与125、第二差分探测器124与126连接；第一传感光纤112、第二传感光纤113分别缠绕在第一顺便柱体141A、第二顺便柱体141B上；
2)全保偏光纤平衡干涉仪110中，第一保偏耦合器111的两输出端光纤分别与第一传感光纤112、第二传感光纤113连接，连接处保偏光纤的对轴角度115、116为0°～45°；第一传感光纤112、第二传感光纤113分别与第二保偏耦合器114的两输出端光纤连接，其中第二传感光纤113与第二保偏耦合器114连接处保偏光纤的对轴角度117为0°～90°；第一传感光纤112、第二传感光纤113长度相等；第二传感光纤113的输入光纤缠绕在相位调制器118上；
3)推挽式拾振结构140中，第一顺便柱体141A、第二顺便柱体141B分别固定在质量块142上下两侧，***壳体143把持固定第一顺便柱体141A、第二顺便柱体141B两自由端；
4)偏振分束差分探测装置120中，第一差分探测器123、125与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122快轴信号输出端连接，第二差分探测器124、126与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122慢轴信号输出端连接；
5)采集控制与信息处理装置130中，信息处理装置132与采集控制器131通过数据线连接，采集控制器131分别于第一差分探测器123与125、第二差分探测器124与126、相位调制器118通过信号线连接。
该发明装置选用的光纤器件的详细性能参数如下所述。
1)窄线宽激光光源101，其工作波长为1550±20nm，中心波长1550nm，出纤功率大于4mW，光谱线宽小于1pm，输出光纤为保偏光纤；
2)第一保偏耦合器111，工作波长为1550nm，消光比大于30dB，分光比为50:50且工作轴与光源输出光纤工作轴一致，输入输出尾纤为保偏光纤；
3)测量臂光纤112、参考臂光纤113皆为保偏光纤，工作波长覆盖1550nm波段，两者长度一致且皆为14m；
4)第二保偏耦合器114为2×2保偏光纤耦合器，工作波长覆盖1550nm波段，快慢轴同时工作且分光比为50:50，消光比大于20dB，输入输出尾纤为保偏光纤；
5)第一、第二偏振分束器121、122，工作波长覆盖1550nm波段，消光比大于20dB，***损耗小于0.5dB，输入端尾纤为保偏光纤；
6)第一差分探测器123与125、第二差分探测器124与126，其光敏材料均为InGaAs，光探测范围覆盖1550nm波段，响应度大于0.9A/W，如采用NewFocus公司的NirvanaTM系列2017型平衡探测器；
7)第一顺便柱体141A、第二顺便柱体141B，其材料为铜柱，高3cm、外径2cm、厚1mm；质量块142为不锈钢材料，质量为200g；
8)相位调制器118为压电陶瓷环，其直径为30mm，缠绕光纤长度为50cm，绕制光纤为熊猫型保偏光纤，调制幅度大于2π。
测量装置的工作过程如下：
将光纤加速度计放到测试环境中，并利用采集控制与信息处理装置130对加速度计中两套传感***的相位信息分别进行解调；之后将解调出的两套传感***相位响应求和，得到加速度计总响应，即可实现温度补偿、提升灵敏度，实现高精度加速度信息探测。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的加速度计，其特征在于，包括：窄线宽激光光源(101)、全保偏光纤平衡干涉仪(110)、偏振分束差分探测装置(120)、采集控制与信息处理装置(130)、推挽式拾振结构(140)，其中：
1)窄线宽激光光源(101)经过起偏器(102)与全保偏光纤平衡干涉仪(110)的第一保偏耦合器(111)输入端连接；全保偏光纤平衡干涉仪(110)中的第二保偏耦合器(114)两输出端分别与偏振分束差分探测装置(120)中的第一偏振分束器(121)、第二偏振分束器(122)连接；采集控制与信息处理装置(130)中的采集控制器(131)分别与全保偏光纤平衡干涉仪(110)中的第一保偏耦合器(111)以及偏振分束差分探测装置(120)中的第一差分探测器(123、125)、第二差分探测器(124、126)连接；全保偏光纤平衡干涉仪(110)通过两传感臂光纤(112、113)与推挽式拾振结构(140)中的弹性体(141)进行复合；
2)全保偏光纤平衡干涉仪(110)中，第一保偏耦合器(111)的两输出端光纤分别与第一传感光纤(112)、第二传感光纤(113)连接，连接处保偏光纤的对轴角度(115、116)为0°～45°；第一传感光纤(112)、第二传感光纤(113)分别与第二保偏耦合器(114)的两输出端光纤连接，其中第二传感光纤(113)与第二保偏耦合器(114)连接处保偏光纤的对轴角度(117)为0°～90°；第一传感光纤(112)、第二传感光纤(113)长度相等；第二传感光纤(113)的输入光纤缠绕在相位调制器(118)上；
3)推挽式拾振结构(140)中，***壳体(143)把持固定弹性体(141)，质量块(142)固定在弹性体(141)上，第一传感光纤(112)、第二传感光纤(113)分别固定在弹性体(141)的两个应变面上；
4)偏振分束差分探测装置(120)中，第一差分探测器(123、125)与第一偏振分束器(121)、第二偏振分束器(122)快轴信号输出端连接，第二差分探测器(124、126)与第一偏振分束器(121)、第二偏振分束器(122)慢轴信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的加速度计，其特征在于，第一保偏耦合器(111)工作波长范围能够覆盖窄线宽激光光源(101)的发射光谱，最优分光比为50:50。
3.根据权利要求1所述的基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的加速度计，其特征在于，起偏器(102)、第二保偏耦合器(114)、第一传感光纤(112)、第二传感光纤(113)，其特征是：工作波长范围能够覆盖窄线宽激光光源(101)的发射光谱，尾纤均为保偏光纤；第二保偏耦合器(114)为2×2保偏光纤耦合器，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作。
4.根据权利要求1所述的基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的加速度计，其特征在于，第一偏振分束器(121)、第二偏振分束器(122)、第一差分探测器(123、125)、第二差分探测器(124、126)工作波长范围能够覆盖窄线宽激光光源(101)的发射光谱，第一偏振分束器(121)、第二偏振分束器(122)的输入光纤均为保偏光纤。
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