[发明专利]一种不等臂长迈克尔逊光纤加速度计及其传感方法

摘要

本发明公开了一种不等臂长迈克尔逊光纤加速度计及其传感方法。本发明采用1x3光纤耦合器，三根输出光纤的长度成等差数列，末端分别连接第一至第三法拉第旋镜，形成两个等效迈克尔逊干涉仪，双脉冲入射两个等效迈克尔逊干涉仪产生两个干涉脉冲，相位解调并将解调后的相位相减实现对共模噪声的抑制，并无需附加的参考加速度计，同时具有更好的噪声抑制效果，因而降低了传感系统成本并压缩了传感系统体积，这一优势在准分布式多基元传感网络优势体现尤为明显；此外，本发明基于不等臂长的迈克尔逊干涉原理，巧妙采用推挽结构，对轴向的振动响应产生二级放大，并对横向的振动扰动产生二级抑制，因而兼具更高主轴灵敏度，更低横向串扰等优点。

主权项

1.一种不等臂长迈克尔逊光纤加速度计，其特征在于，所述光纤加速度计包括：基座、芯轴、质量块、压盖、上弹性筒、下弹性筒、1x3光纤耦合器以及第一至第三法拉第旋镜；其中，所述基座水平设置在底部；在基座的上表面的中心竖直设置芯轴；所述芯轴的轴线作为中轴线；所述芯轴垂直穿过圆盘状的质量块的中心，将质量块固定在芯轴的中间位置，二者连接为一体；在芯轴的顶端设置压盖；所述上弹性筒和下弹性筒为直径相同的空心的筒状，并分别同轴套装在芯轴上，上弹性筒固定在压盖与质量块之间，下弹性筒固定在质量块与基座之间；所述1x3光纤耦合器的第一至第三输出光纤的长度为等差数列，第一输出光纤缠绕于质量块的外壁上，第二输出光纤缠绕于上弹性筒的外侧壁，第三输出光纤缠绕于下弹性筒的外侧壁上；所述第一至第三输出光纤的末端分别连接第一至第三法拉第旋镜；时域上相互独立的双脉冲作为探测信号从1x3光纤耦合器的输入光纤输入，双脉冲的时域距离为两倍输出光纤长度的公差，当双脉冲中的第一脉冲从1x3光纤耦合器的第一至第三输出光纤输出，分别遇到第一至第三法拉第旋镜时，反射返回，产生包括三个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲从1x3光纤耦合器的第一至第三输出光纤输出，分别遇到第一至第三法拉第旋镜时，反射返回，同样产生包括三个脉冲的第二返回脉冲序列；第一输出光纤和第一法拉第旋镜以及第二输出光纤和第二法拉第旋镜分别构成第一个等效迈克逊干涉仪的第一臂和第二臂，第一返回脉冲序列的第二个脉冲来自第一个等效迈克逊干涉仪的第二臂，第二返回脉冲序列的第一个脉冲来自第一个等效迈克逊干涉仪的第一臂，两个脉冲由于迈克尔逊干涉产生第一干涉脉冲；以及第二输出光纤和第二法拉第旋镜以及第三输出光纤和第三法拉第旋镜分别构成第二个等效迈克逊干涉仪的第一臂和第二臂，第一返回脉冲序列的第三个脉冲来自第二个等效迈克逊干涉仪的第二臂，第二返回脉冲序列的第二个脉冲来自第二个等效迈克逊干涉仪的第一臂，这两个脉冲由于迈克尔逊干涉产生第二干涉脉冲；当加速度计受到外界振动时，质量块引导上弹性筒和下弹性筒的轴向形变，进而引发缠绕的第一至第三输出光纤的径向形变，导致第一和第二干涉脉冲的相位变化，第一和第二干涉脉冲中携带外界振动信息；将携带外界振动信息的第一和第二干涉脉冲的相位解调并将解调后的相位相减，从而得到抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比；同时，当加速度计受到外界轴向振动时，质量块的惯性带动上弹性筒和下弹性筒产生形变，其中一个弹性筒膨胀而另一个弹性筒压缩，进而导致缠绕于弹性筒上的输出光纤产生相反方向的径向形变，由于两个等效迈克尔逊干涉仪均为两个等效推挽结构，其相位灵敏度与等效推挽结构的两臂的输出光纤长度累加呈正相关，因而第二个等效迈克尔逊干涉仪产生的相位变化是第一个等效迈克尔逊干涉仪产生的相位变化的三倍且方向相反，两者相位数值相减后总的相位变化是第一个等效迈克尔逊干涉仪产生的相位变化的四倍；另一方面，当加速度计受到横向振动时，上弹性筒和下弹性筒带动输出光纤同时膨胀或压缩，因而相位相减后干涉脉冲同向而相互抑制，并且干涉脉冲经过两个等效迈克尔逊干涉仪产生二次双倍抑制，因而具有更好的横向扰动抑制效果。