專利名稱：基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖加速度傳感器，特別是一種微加速度傳感器。
背景技術(shù)：
加速度的測(cè)量，在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著使用范圍的不斷擴(kuò)大，要求傳感 器體積更小巧、測(cè)量精確度和可靠性更高并向智能化的方向發(fā)展。由于科學(xué)技術(shù)的高速發(fā) 展，對(duì)傳感器的精度、穩(wěn)定性及體積小型化的要求越來(lái)越高，相位調(diào)制型光纖傳感器是目前 研究和開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象之一。相位調(diào)制型傳感器是物理微擾與光纖干涉儀的某一干涉臂或 兩干涉臂相作用，對(duì)光纖中光波的相位進(jìn)行調(diào)制，而干涉儀的輸出是與相位差成一定關(guān)系 的光強(qiáng)信號(hào)。邁克爾遜干涉儀則是相位調(diào)制型干涉儀的經(jīng)典結(jié)構(gòu)之一。但目前為止多數(shù)結(jié)構(gòu) 集成度仍不高，如美國(guó)專利US 20040149037 Al, US 5420688，US 4893930，中國(guó)專利“順變 柱體全光纖雙光路加速度地震檢波器”(CN 2599600Y)和“全光纖加速度地震檢波器”(CN 2594809Y)。中國(guó)專利“雙芯光纖集成式加速度計(jì)及測(cè)量方法”(公開(kāi)號(hào)CN101368978)通 過(guò)CCD來(lái)測(cè)量雙芯光纖透射干涉條紋的變化來(lái)測(cè)量加速度，集成度大大提高，但對(duì)CCD的像 素要求很高。上述專利中所述的光纖及器件均為非保偏光纖及器件，光波在普通低雙折射 單模光纖中傳輸時(shí)偏振態(tài)的隨機(jī)變化導(dǎo)致干涉信號(hào)的不穩(wěn)定是至今難以有效克服的難題 之一。一般由低雙折射光纖做成的雙束光纖干涉儀都無(wú)法避免由于光纖中光波偏振態(tài)隨機(jī) 變化引起的檢測(cè)信號(hào)隨機(jī)衰落。特別當(dāng)光纖中兩傳感臂偏振態(tài)正交時(shí)，干涉儀的輸出干涉 信號(hào)為零。在相位調(diào)制型光纖傳感器中，為減小光纖本身的相位和偏振態(tài)的擾動(dòng)，應(yīng)采用 單模保偏光纖，為使干涉光強(qiáng)的對(duì)比度最佳，要求信號(hào)臂和參考臂中的光波必須同相偏振。 利用保偏光纖的系統(tǒng)要求利用保偏光纖耦合器，傳統(tǒng)保偏光纖耦合器多數(shù)利用是熔融拉錐 法，即將兩根光纖中部長(zhǎng)約20mm部分的涂覆層剝?nèi)?，清洗干凈，顯微鏡對(duì)軸，然后采用紫外 膠固定，再置于專用微火炬上進(jìn)行熔融拉錐，使兩根光纖側(cè)面融合在一起，形成一雙錐體， 實(shí)現(xiàn)光的橫向耦合，最后手工封裝，形成耦合器。由于手工操作，對(duì)操作的人技術(shù)要求很高、 速度慢、產(chǎn)量低、成品率低、器件性能的一致性差，因此產(chǎn)品價(jià)格高。胡永明等提出了利用保 偏光纖的加速度計(jì)(中國(guó)激光，2005，32 (10) :1382)，但其集成度不夠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種有利于傳感器小型化、集成化，穩(wěn)定性好，容易制造的 基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的由光源、環(huán)形器、單芯保偏單模光纖、保偏光纖耦合器、雙芯保偏光纖、加速度傳感 探頭、探測(cè)器連接組成；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器后，由環(huán)形器的第一輸出端口進(jìn)入單芯保 偏單模光纖，之后經(jīng)保偏光纖耦合器耦合輸 入到雙芯保偏光纖，最后進(jìn)入由雙芯保偏光纖 構(gòu)成的速度傳感探頭，經(jīng)速度傳感探頭反射裝置反射后按原路返回，經(jīng)保偏光纖耦合器后通過(guò)環(huán)形器的第二輸出端口出射，由探測(cè)器接收探測(cè)；所述的保偏光纖耦合器由單芯保偏 光纖和雙芯保偏光纖耦合而成；所述的光纖傳感探頭是中心為空氣孔的熔嵌芯式雙芯保偏 光纖構(gòu)成的邁克爾遜干涉儀構(gòu)成的傳感探頭。本發(fā)明還可以包括1、所述的光源是相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)的單色光源。2、所述的雙芯保偏光纖是熔嵌芯式雙芯保偏光纖，每個(gè)保偏芯均是單模保偏纖 芯，每個(gè)纖芯是圓形或是橢圓形纖芯，兩個(gè)纖芯偏振主軸方向相同。3、所述的光纖傳感探頭是懸臂梁式結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂與雙芯保偏光纖近 反射端連接固定，雙芯保偏光纖與外部殼體剛性連接。4、光纖偏振耦合器置于光纖傳感探頭的外部殼體內(nèi)。以利于減小外界微擾的影 響。5、所述的纖傳感探頭的反射裝置是反射鏡，或是在質(zhì)量塊位置處的兩個(gè)纖芯中寫(xiě) 入具有與光源波長(zhǎng)相同反射波長(zhǎng)的光纖光柵結(jié)構(gòu)，或是由光纖端面鍍膜構(gòu)成的反射端面。本發(fā)明為了解決在制作全光纖加速度儀時(shí)，由于單模光纖極化引起的全光纖干涉 儀的偏振態(tài)的衰減等技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)為了解決傳感器的穩(wěn)定性提高與成本之間的矛盾，簡(jiǎn) 化保偏光纖耦合器的制備工藝，提出了一種集成式熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感
ο加速度工作原理描述如下光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器后，由環(huán)形器的第一個(gè)輸出端口進(jìn)入單芯保偏單模光 纖，之后利用保偏光纖耦合器耦合輸入到熔嵌芯式雙芯保偏光纖，最后進(jìn)入由雙芯保偏光 纖構(gòu)成的邁克耳遜干涉?zhèn)鞲蓄^，經(jīng)反射裝置反射后按原路返回，兩路反射光在保偏光纖耦 合器處進(jìn)行干涉，干涉信號(hào)經(jīng)保偏光纖耦合器后通過(guò)環(huán)形器第二個(gè)輸出端口出射，由探測(cè) 器接受探測(cè)。當(dāng)外界施加一定大小的加速度作用到殼體上時(shí)，由于慣性密封在傳感探頭內(nèi) 的質(zhì)量塊將感知這一加速度，從而導(dǎo)致懸臂梁偏轉(zhuǎn)，光纖將發(fā)生彎曲，發(fā)生干涉的兩臂光程 會(huì)產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致干涉條紋變化，通過(guò)干涉條紋的變化感知外界加速度，實(shí)現(xiàn)加速度的 測(cè)量。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于1.利用雙芯Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了加速度測(cè)量，有利 于傳感器小型化，集成化。2.利用保偏光纖構(gòu)成邁克爾遜干涉儀，可以解決傳統(tǒng)加速度計(jì)傳 感器因偏振態(tài)隨機(jī)變化引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。3.本發(fā)明制作保偏光纖耦合器的方法簡(jiǎn)單易 行，成品率高。


圖1為本發(fā)明基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖截面圖；圖3(a)-圖3(c)為本發(fā)明光纖偏振耦合器制作示意圖；圖4為本發(fā)明雙芯光纖加速度計(jì)探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
圖2為本發(fā)明基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖截面圖；兩個(gè)纖芯8具有相同的偏振主 軸方向，光纖中心為空氣孔10，兩個(gè)纖芯8對(duì)稱的嵌在包層9內(nèi)壁，每個(gè)纖芯8部分在包層 中部分裸露在空氣孔10中。圖1為本發(fā)明基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，光源1 發(fā)出的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器2后，由環(huán)形器的第一個(gè)輸出端口進(jìn)入單芯保偏單模光纖3，之后利用 保偏光纖耦合器4耦合輸入到熔嵌芯式雙芯保偏光纖5，最后進(jìn)入由雙芯保偏光纖構(gòu)成的 邁克耳遜干涉?zhèn)鞲蓄^6，經(jīng)邁克爾遜干涉儀反射裝置反射后按原路返回，經(jīng)保偏光纖耦合器 4后通過(guò)環(huán)形器第二個(gè)輸出端口出射，由探測(cè)器7接受探測(cè)。其中保偏光纖耦合器4的制 備如圖3所示，將單芯保偏光纖3與雙芯光纖5的涂覆層剝?nèi)ヒ欢?，清洗干凈后使用保偏?纖熔接機(jī)在兩光纖相對(duì)處11直接對(duì)接熔合，利用顯微鏡進(jìn)行對(duì)軸，對(duì)接時(shí)單芯光纖3和雙 芯光纖5的偏振主軸方向相同，熔接過(guò)程中熔嵌式中空雙芯保偏光纖焊點(diǎn)處的空氣腔會(huì)塌 陷，形成實(shí)心結(jié)構(gòu)12，兩個(gè)纖芯側(cè)面融合在一起，直接完成光功率的重新分配；但直接焊接 因兩光纖光場(chǎng)不匹配會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，且需要兩根光纖焊接時(shí)嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)3dB的 功能；所以可以利用拉錐技術(shù)來(lái)解決，即利用熱熔式拉錐機(jī)將熔合后的光纖在焊點(diǎn)處進(jìn)行 加熱拉錐，使光纖變細(xì)，形成一雙錐體，實(shí)現(xiàn)光的橫向耦合，在焊點(diǎn)處形成的準(zhǔn)錐形光纖錐 13結(jié)構(gòu)，則構(gòu)成了保偏光纖耦合器4，拉錐后要進(jìn)行封裝保護(hù)。加速度傳感探頭6的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)如圖4所示，將質(zhì)量塊14固定于接近雙芯光纖5的末端，光纖末端利用鍍膜技術(shù)鍍制反 射端面15，質(zhì)量塊14用于感知外界加速度的變化，將雙芯保偏光纖5與外部殼體16上 端剛 性連接，進(jìn)而構(gòu)成加速度傳感探頭。
權(quán)利要求
一種基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器，由光源、環(huán)形器、單芯保偏單模光纖、保偏光纖耦合器、雙芯保偏光纖、加速度傳感探頭、探測(cè)器連接組成；其特征是光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器后，由環(huán)形器的第一輸出端口進(jìn)入單芯保偏單模光纖，之后經(jīng)保偏光纖耦合器耦合輸入到雙芯保偏光纖，最后進(jìn)入由雙芯保偏光纖構(gòu)成的速度傳感探頭，經(jīng)速度傳感探頭反射裝置反射后按原路返回，經(jīng)保偏光纖耦合器后通過(guò)環(huán)形器的第二輸出端口出射，由探測(cè)器接收探測(cè)；所述的保偏光纖耦合器由單芯保偏光纖和雙芯保偏光纖耦合而成；所述的光纖傳感探頭是中心為空氣孔的熔嵌芯式雙芯保偏光纖構(gòu)成的邁克爾遜干涉儀構(gòu)成的傳感探頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器，其特征是 所述的光源是相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)的單色光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器，其特征是 所述的雙芯保偏光纖是熔嵌芯式雙芯保偏光纖，每個(gè)保偏芯均是單模保偏纖芯，每個(gè)纖芯 是圓形或是橢圓形纖芯，兩個(gè)纖芯偏振主軸方向相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器，其特征是 所述的光纖傳感探頭是懸臂梁式結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂與雙芯保偏光纖近反射端連接 固定，雙芯保偏光纖與外部殼體剛性連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器，其特征是 光纖偏振耦合器置于光纖傳感探頭的外部殼體內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器，其特征是 所述的纖傳感探頭的反射裝置是反射鏡，或是在質(zhì)量塊位置處的兩個(gè)纖芯中寫(xiě)入具有與光 源波長(zhǎng)相同反射波長(zhǎng)的光纖光柵結(jié)構(gòu)，或是由光纖端面鍍膜構(gòu)成的反射端面。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于熔嵌芯式雙芯保偏光纖的微加速度傳感器。光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器后，由環(huán)形器的第一輸出端口進(jìn)入單芯保偏單模光纖，之后經(jīng)保偏光纖耦合器耦合輸入到雙芯保偏光纖，最后進(jìn)入由雙芯保偏光纖構(gòu)成的速度傳感探頭，經(jīng)速度傳感探頭反射裝置反射后按原路返回，經(jīng)保偏光纖耦合器后通過(guò)環(huán)形器的第二輸出端口出射，由探測(cè)器接收探測(cè)。本發(fā)明利用雙芯Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了加速度測(cè)量，有利于傳感器小型化，集成化；利用保偏光纖構(gòu)成邁克爾遜干涉儀，可以解決傳統(tǒng)加速度計(jì)傳感器因偏振態(tài)隨機(jī)變化引起的穩(wěn)定性問(wèn)題；制作保偏光纖耦合器的方法簡(jiǎn)單易行，成品率高。
文檔編號(hào)G02B6/26GK101833016SQ20101017303
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者關(guān)春穎, 楊軍, 苑立波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)