[发明专利]基于超短腔光纤激光器的光纤加速度传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于超短腔光纤激光器作为核心部件的光纤加速度传感器，适合于工业、军事领域的微小振动的测量以及地震动监测、大型建筑物监测等领域的高精度测试和标定、计量。

背景技术

加速度传感器是军械、车辆、船舶等抗冲击、抗振动测量、地震监测、惯性导航与制导系统中常用的重要传感器。惯性式加速度计的工作原理是在惯性空间设置质量块以感知被测件作加速度运动时产生的惯性力或位移，测量出此惯性力或位移即可测量出相应的加速度。传统的加速度传感器多采用电磁式的结构，由于电磁测量本身的特点所决定，不可避免带来电磁噪声干扰、结构复杂、易安装等缺点。

随着光电子技术的发展，光纤光栅传感技术近年来已成为研究的热点。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相位光栅。当多波长信号入射进入光纤时，满足光栅反射条件的某个波长信号(Bragg波长)会被耦合成反向波并沿光纤原路返回。光纤光栅传感的基本原理是：温度、应变和应力等物理量的变化会引起光纤光栅的栅距和有效折射率的变化，从而使光纤光栅反射的Bragg波长发生漂移，通过检测光纤光栅Bragg波长的变化就可以获得相应的温度、应变和应力的信息。由于光纤光栅的传感信号直接调制于光波波长，不受光源强度起伏、连接损耗及光纤弯曲损耗等影响，稳定性好；同时便于利用波分复用技术串联多个光纤光栅形成分布式传感网络，因此得到巨大的发展。目前光纤光栅已成功的应用于应力、应变、温度的直接测量，而借助于机械装置、埋入技术等也可以实现对位移、力、加速度等物理量的测量，如光纤光栅加速度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅水听器等。

基于光纤光栅的传感器是无源器件，即检测通过光纤光栅窄带反射光中心波长的变化，得到被测信号的信息。由于光纤光栅的反射光带宽无法进一步缩小(约0.1nm)，与之配套的波长检测分辨率仅为亚pm量级，尽管已经采取各种增敏措施，但无论灵敏度和动态范围都不能达到更高的水平。

基于光纤光栅的光纤激光器，利用光纤光栅的反射特性和选频作用，通过在一段高增益掺稀土光纤两端各连接一个中心波长相同的光纤光栅形成光纤激光器结构。由于上述激光器的输出激光信号具有极窄的线宽(目前可以达到KHz量级)，相干长度可达百公里量级，通过设计合适的换能机构和解调系统，可以用于多种领域传感测量。且该方案较传统光纤光栅传感器的灵敏度高数个数量级。

基于光纤光栅的光纤激光器的传感器，不但灵敏度高于传统的光纤光栅传感器，而且同样具备如抗电磁干扰、体积小、质量轻、动态范围大、易组网复用的特点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于超短腔光纤激光器的光纤加速度传感器，其可以达到提高传感灵敏度数个数量级灵敏度。本发明利用超短腔光纤激光器作为基本传感部件，利用等强度悬臂梁作为换能机构，实现对物体的加速度及其他振动信息进行高精度传感测量。

本发明一种基于超短腔光纤激光器的光纤加速度传感器，其特征在于，包括：

一等强度悬臂梁，该等强度悬臂梁为一等腰三角形，将端部惯性力转化为表面均匀的应变；

一惯性质量块，该惯性质量块固定在等强度悬臂梁的端部，用于产生惯性力；

一光纤激光器，该光纤激光器固定在等强度悬臂梁上面的中轴线上，以将悬臂梁上的应变转化为激光器激射波长的变化。

其中所述的光纤激光器是DBR型光纤激光器或DFB型光纤激光器。

其中所述的DBR型光纤激光器包括：一高增益的掺稀土光纤，该高增益的掺稀土光纤的两端制作有匹配的光纤光栅。

其中DBR型光纤激光器的光纤光栅分别与尾纤连接。

其中所述的DFB型光纤激光器包括：一高增益的掺稀土光纤和制作在其上面的光栅。

其中制作在高增益有源光纤上的光纤光栅的两端分别与尾纤连接。

本发明的有益结果是：

作为传感部件的超短腔光纤激光器提供极窄的激光线宽，区别于光纤光栅的反射信号，使进一步高精度解调传感信息成为可能；

本发明内容不仅可以作为加速度传感器使用，通过调整等强度梁和质量块系统的自振频率，还可以用于不同测量范围的振速传感器和位移传感器；

相对与传统的电学传感器，本发明提供的传感器中无电子元件及电信号传输，传感器不受电磁场干扰，电绝缘性和安全性好；