基于柔性盘技术的光纤加速度计研究

　　1　引　言

　　目前在惯性导航系统中已开始采用光纤陀螺技术,为实现惯导全光纤化,可采用石英挠性加速度计,其精度为10-4g-1,但不能满足中、高精度惯导的要求。为实现较高精度惯导技术的全光纤化,现提出了一种新型的利用惯性力的全光纤加速度计,采用相位跟踪零差检测技术,精度可达10-6g-1。与当前常见的振子式光纤加速度传感器相比[1],由于直接以光纤本身质量作为弹性振子,因此具有结构简单,尺寸小,重量轻的优点。而与目前研究相当活跃的强度调制型光纤传感器相比较,采用干涉技术以及相位调制技术后可以达到更高的灵敏度和精度。

　　2　工作原理

　　图1为采用柔性盘的光纤加速度计系统结构示意图。整个系统采用全光纤T-G干涉的原理来完成对光纤中微小光程变化的测量,其构成主要包括:1.3μm的LD相干光源、起传感作用的光纤柔性盘、光探测器(PIN)、相位调制用的压电陶瓷以及信号处理系统。信号处理中采用相位跟踪零差检测技术,实现待测信号的精确检测和误差信号的补偿。

　　光纤T-G干涉仪的两根测量和参考光纤的端部镀有反射膜,分别取等长光纤紧密缠绕黏附于柔性盘的上下表面,盘的中心有硬性支撑。惯性力的作用将引起柔性盘弯曲形变,如图2中的虚线所示。形变使光纤盘产生一定量的应力,盘的上表面(测量臂)产生拉的应力而下表面(参考臂)受压,从而改变两臂间的光程差,可以通过后续电路检测其相移的变化。采用这样差动式的结构是考虑到光纤对环境的变化极为敏感,迈克尔逊光纤干涉仪的双臂构成传感器的相同周转媒质条件下的不同感应部分,可减少由于温度、非待测扰动、介质折射率等其它环境因素而带来的误差与噪声。

　　3　柔性盘计算及对加速度的响应

　　传感头对加速度的响应的基本依据是柔性盘在加速运动情况下弯曲,从而使得盘上的每一点相对于平衡位置有相应的位移,由于光纤是紧密黏附在盘上,因此不同点的位移便转换成光纤盘中感受到的应力。根据公式可以得到盘的任一半径r处对应的斜率θ(r)[2],由柔性盘的材料特性可以得到在任一半径r处的切向和径向应力σ,通过累计计算每一圈光纤中感受的应力从而将应力的响应转换为加速度的响应。下面就公式计算详细说明。假设柔性盘上表面受均匀载荷ΔP,圆盘的斜率和挠度由下面的方程式给出:

　　式中,y是半径r处的挠度;即是半径r处的斜率θ(r);D是一个称为“抗弯刚度”的常数,;t为盘的厚度,E为柔性盘杨氏模量,γ为泊松比。

　　将(1)式二次积分并根据边界条件,即:当r=b时,斜率θ(r)=0,可以得到: