基于光纤-镜面干涉腔的光纤加速度计

　　1　引　言

　　光纤加速度计由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、耐腐蚀、体积小、质量轻等优点而在许多领域得到了广泛的应用[1-3]。一个高质量的光纤加速度计，在实现高分辨率和大动态范围的同时，必须达到尽可能高的灵敏度和尽可能大的共振频率。灵敏度作为衡量加速度计性能的一个重要指标，可表示为相位差与加速度的比值Δφ/Δa。近年来，国内外已经研究出了多种光纤加速度计。例如，王金海等提出了一种基于光弹效应的光纤加速度计，其共振频率达到了3500Hz，但是灵敏度只有3.7×　rad/g[4];曾楠等提出了一种灵敏度为79.4rad/g，共振频率接近1　000Hz的光纤加速度，但是其交叉灵敏度约为2rad/g，限制了该加速度的多维应用能力[5]。

　　本文提出了一种新型的由光纤与镜面形成干涉腔的加速度计。相对与双臂光纤传感的马赫曾德或迈克尔逊干涉式的光纤加速度计，该加速度计由于只采用单臂光纤而不需要在设计上考虑如何隔离参考臂的传感;相对于需要较复杂的信号处理系统的光纤布拉格光栅加速计，其采用较简单的相位生成载波技术(Phase　Generated　Car-rier，PGC)即可实现高精度的加速度检测[6-9]。与基于本征型光纤法布里-珀罗干涉的传感器相比，该加速度计具有受温度影响小，不存在双折射问题和横向应变不会转变成轴向应变的优点[10-13]。本文提出的加速度计用固定于圆网状弹性结构上的硅微反射镜与处理过的光纤端面构成光纤-镜面干涉腔，采用PGC技术对随加速度变化的干涉腔腔长进行音频调制，从而提高了该类型加速度计的分辨率，使其值达到了4μg。实验测试结果表明，该加速度计在160Hz的共振频率下的灵敏度达到了63.2rad/g，交叉灵敏度仅为7.9×10-4　rad/g，具有很好的集成多维加速度计的性能。

　　2　光学传感原理

　　图1所示为本文设计的光纤加速度计的原理图。分布式反馈激光器(Distributed　FeedbackLasers，DFB)发出波长为1550nm的光束经光纤1到达3dB光纤耦合器，光纤耦合器将光束耦合到光纤2，4%能量的光束在光纤2出射端面反射回光纤2形成参考光，另一部分光经光纤-镜面腔后，被固定于弹性结构上的硅微反射镜反射回光纤2形成信号光;而在该腔内经过3次反射后进入光纤2的光能量只有参考光(或信号光)能量的千分之二左右，对干涉信号的影响非常小，因而在分析时只考虑参考光与信号光形成的干涉[14]。

　　该干涉腔腔长受压电陶瓷振动片(PZT)调制产生相位(光程差)调制信号。参考光与信号光在在光纤2的端面处产生干涉，该干涉光经耦合器和光纤3后进入光电探测器(Photo-Detector，PD)转换为电信号，数字示波器将该信号储存为数字信号，最后由计算机采用PGC技术对信号处理解调出干涉信号的相位差。