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1、一种三分量光纤加速度传感器 A 3-component fiber-optic accelerometerl 光纤传感器的优点l 一维光纤加速度传感器的原理l 三位光纤加速度传感器的原理l 光纤加速度传感器工作的力学研究l 光纤加速度传感器工作的光学研究l 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
2、 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。 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
3、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芯轴式干涉型光纤加速度传感 器的工作原理三分量的光纤加速度传感器一维扩展到三维的做法：l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l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：弹性橡胶柱 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
4、系统的运动方程：弹性橡胶柱纵向长度改变为：加速度计型惯性接收： 设则当频率低于传感器固有频率时， 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， 在00.8之间时，响应波动的 误差小于4%光纤加速度传感器的力学研究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（ ），下一步需要 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 和光弹效应引起的光纤折射率的 改变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。由这个假设有展开上式并略去高阶小量得到设N为光纤的缠绕匝数，则有光纤长度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 系为式中C为一常数，与材料和传感元件的结构的参 数有关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
