光纤加速度计的工作原理与优势

5.2.4.1　概述

光纤传感技术是20世纪70年代末80年代初新兴的一门技术。光导纤维具有损耗低、不受电磁干扰、绝缘性好、安全防爆、直径细、质量轻、耐腐蚀等优点,因此其很快被用在信号检测等领域。

如图5.26所示,光源发出的光经光纤耦合传输到传感头,在传感头内,外界被测参数与光相互作用,使光波参数发生变化,成为被调制的光信号,因此传感头相当于调制器,此光信号再经光纤耦合传输到光探测器,从探测器出来的电信号经解调器解调而获得被测参数。

图5.26　光纤传感器的一般原理框图

调制器的作用：在待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质发生变化。调制器通常用于调制光的光强、相位、振幅和偏振等。

5.2.4.2　马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型加速度计

马赫-曾德尔干涉型加速度计用一条或两条光纤与作为敏感元件的惯性质量相连。当沿光纤轴有加速度输入时,光纤的长度就会有一个小的变化,该变化与所加的加速度成比例。长度的变化可由干涉仪技术检测(干涉仪技术已在上一节做了介绍)。用两条光纤可使每条光纤构成干涉仪的一个臂；结合光纤的温度变化补偿,使用零位消除方法可实现更高的灵敏度。另外,需要约束检测质量块只能沿仪表的敏感轴方向运动。马赫-曾德尔干涉型加速度计的敏感元件如图5.27所示。(www.xing528.com)

图5.27　马赫-曾德尔干涉型加速度计的敏感元件

(a)单光纤结构；(b)双光纤结构

5.2.4.3　振动光纤加速度计

如图5.28所示,将一段单模光纤连在刚性结构的两个回转点之间,使其处于拉紧状态,且以基础频率振荡。在没有外加加速度作用时,其振动的位移是对称的,且最大伸长出现在最大位移处,过中心线时是最松弛的状态,此时通过光纤的光以2f和f的高阶偶数谐波做相位调制(f是基础频率)；当敏感元件受到平行于振荡平面的方向的加速度作用时,光纤的位移就不再对称,此时通过光纤的光将以f和3f的高阶偶数谐波做相位调制。振动光纤加速度计利用光纤干涉仪的方法来检测光波的变化,进而获取所受加速度的大小和方向。

图5.28　振动光纤加速度计的振荡模式

(a)无加速度输入(对称变形)；(b)有加速度输入(非对称变形)