本發(fā)明是一種基于光纖布喇格光柵反射譜特性實(shí)現(xiàn)激光拍頻的差動(dòng)型光學(xué)加速度計(jì)，屬于慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。光纖布喇格光柵(fiber bragg grating，F(xiàn)BG)是周期小于1μm的短周期光纖光柵，其特點(diǎn)是傳輸方向相反的兩個(gè)芯模之間發(fā)生耦合，屬于反射型帶通濾波器。

由FBG的布喇格方程可知，布喇格波長(zhǎng)取決于光柵周期和反向耦合模的有效折射率。能夠引起他們發(fā)生變化的外界因素，都將引起布喇格波長(zhǎng)漂移，縱向應(yīng)變便是其中最直接的因素之一。應(yīng)變改變布喇格光柵是光纖的彈性效應(yīng)和彈光效應(yīng)的共同作用的結(jié)果。彈性效應(yīng)會(huì)改變光柵的柵格周期；彈光效應(yīng)使光纖光柵的有效折射率產(chǎn)生改變。光纖光柵的縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)僅取決于材料本身和反向耦合模的有效折射率。對(duì)于保偏光纖，當(dāng)光纖材料選定后，其靈敏度系數(shù)將為一定值，這就從根本上保證了FBG作為軸向應(yīng)變傳感器時(shí)具有良好的線性輸出特性。

兩個(gè)振幅相同，振動(dòng)方向相同、且在同一方向傳播，但頻率接近的單色光波的疊加，其合成波是一個(gè)振幅受到低頻調(diào)制的波，這種現(xiàn)象稱為拍，拍頻為兩個(gè)疊加單色光波的頻率之差，相對(duì)于光頻，拍頻相對(duì)較低，比較容易被探測(cè)到。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)階段電容式加速度計(jì)測(cè)試方式中檢測(cè)精度不足、檢測(cè)及控制信號(hào)相互干擾的問(wèn)題，提出基于光纖布喇格光柵反射譜特性實(shí)現(xiàn)激光拍頻的差動(dòng)型光學(xué)加速度計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、數(shù)字輸出、抗干擾能力強(qiáng)。

一種基于光纖布喇格光柵反射譜特性實(shí)現(xiàn)激光拍頻的差動(dòng)型光學(xué)加速度計(jì)，包括窄線寬光纖DBR激光光源、第一保偏光纖3dB耦合器、第二保偏光纖3dB耦合器、第三保偏光纖3dB耦合器、合束耦合器、第一光纖布拉格光柵、第二光纖布拉格光柵、第一副懸臂梁、第二副懸臂梁、主懸臂梁、質(zhì)量塊、光源驅(qū)動(dòng)、第四保偏光纖3dB耦合器、第五保偏光纖3dB耦合器、第一頻率調(diào)制裝置、第二頻率調(diào)制裝置、第一檢波裝置、第二檢波裝置、第一相位調(diào)制裝置、第二相位調(diào)制裝置、第一調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置、第二調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置、光電探測(cè)器、檢波電路、邊框；

光源驅(qū)動(dòng)與窄線寬光纖DBR激光光源連接；窄線寬光纖DBR激光光源光出射端與第一保偏光纖3dB耦合器連接；第一保偏光纖3dB耦合器兩出射端分別與第一頻率調(diào)制裝置、第二頻率調(diào)制裝置連接；第一頻率調(diào)制裝置、第二頻率調(diào)制裝置調(diào)制信號(hào)輸入端與第一檢波裝置、第二檢波裝置連接，光信號(hào)輸出端與第四保偏光纖3dB耦合器、第五保偏光纖3dB耦合器連接；第四保偏光纖3dB耦合器、第五保偏光纖3dB耦合器同時(shí)與合束耦合器連接，并分別與第一相位調(diào)制裝置、第二相位調(diào)制裝置連接，兩相位調(diào)制裝置分別連接第一調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置、第二調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置；第一相位調(diào)制裝置、第二相位調(diào)制裝置光信號(hào)輸出端與第二保偏光纖3dB耦合器、第三保偏光纖3dB耦合器連接，兩耦合器同時(shí)與第一檢波裝置、第二檢波裝置及第一光纖布拉格光柵、第二光纖布拉格光柵連接；第一光纖布拉格光柵、第二光纖布拉格光柵貼合于第一副懸臂梁、第二副懸臂梁上；第一副懸臂梁、第二副懸臂梁與主懸臂梁平行連接于質(zhì)量塊和邊框之間；合束耦合器與光電探測(cè)器連接；光電探測(cè)器最終與檢波電路連接。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)字輸出特性從本質(zhì)上避免各種光強(qiáng)起伏干擾，同時(shí)采用光信號(hào)作為信息載體，可以有效降低電磁干擾對(duì)加速度測(cè)量精度的影響，可靠性高，穩(wěn)定性好。

(2)使用窄線寬激光器，通過(guò)掃頻方式將單路激光頻率準(zhǔn)確鎖定在布拉格光柵反射譜峰值頻率，可實(shí)現(xiàn)低拍頻頻率，提高了加速度測(cè)量精度。

(3)微梁形變均勻，反射光譜不存在啁啾效應(yīng)，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性好，線性度高。

(4)差分輸出可以有效抑制共模噪聲，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，消除溫度造成的干擾，同時(shí)提高系統(tǒng)靈敏度。

(5)加速度計(jì)的靈敏度和固有頻率在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分開(kāi)考慮，在不犧牲系統(tǒng)帶寬的條件下，將系統(tǒng)靈敏度提高一倍。

附圖說(shuō)明

圖1為基于FBG拍頻檢測(cè)和窄線寬輸入掃頻技術(shù)的光學(xué)加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為基于FBG拍頻檢測(cè)和窄線寬輸入掃頻技術(shù)的光學(xué)加速度計(jì)敏感頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：

1.窄線寬光纖DBR激光光源 2.第一保偏光纖3dB耦合器 3.第二保偏光纖3dB耦合器

4.第三保偏光纖3dB耦合器 5.合束耦合器 6.第一光纖布拉格光柵

7.第二光纖布拉格光柵 8.第一副懸臂梁 9.第二副懸臂梁

10.主懸臂梁 11.質(zhì)量塊 12.光源驅(qū)動(dòng)

13第四保偏光纖3dB耦合器 14第五保偏光纖3dB耦合器 15.第一頻率調(diào)制裝置

16.第二頻率調(diào)制裝置 17.第一檢波裝置 18.第二檢波裝置

19.第一相位調(diào)制裝置 20.第二相位調(diào)制裝置 21.第一調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置

22.第二調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置 23.光電探測(cè)器 24.檢波電路

25.邊框 26.保偏光纖 27.導(dǎo)線

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明是一種基于光纖布喇格光柵反射譜特性實(shí)現(xiàn)激光拍頻的差動(dòng)型光學(xué)加速度計(jì)，如圖1、圖2所示，包括窄線寬光纖DBR激光光源1、第一保偏光纖3dB耦合器2、第二保偏光纖3dB耦合器3、第三保偏光纖3dB耦合器4、合束耦合器5、第一光纖布拉格光柵(FBG)6、第二光纖布拉格光柵(FBG)7、第一副懸臂梁8、第二副懸臂梁9、主懸臂梁10、質(zhì)量塊11、光源驅(qū)動(dòng)12、第四保偏光纖3dB耦合器13、第五保偏光纖3dB耦合器14、第一頻率調(diào)制裝置15、第二頻率調(diào)制裝置16、第一檢波裝置17、第二檢波裝置18、第一相位調(diào)制裝置19、第二相位調(diào)制裝置20、第一調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置21、第二調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置22、光電探測(cè)器23、檢波電路24、邊框25、保偏光纖26、導(dǎo)線27；

光源驅(qū)動(dòng)12與窄線寬光纖DBR激光光源1連接；窄線寬光纖DBR激光光源1光出射端與第一保偏光纖3dB耦合器2連接；第一保偏光纖3dB耦合器2兩出射端分別與第一頻率調(diào)制裝置15、第二頻率調(diào)制裝置16連接；第一頻率調(diào)制裝置15、第二頻率調(diào)制裝置16調(diào)制信號(hào)輸入端與第一檢波裝置17、第二檢波裝置18連接，光信號(hào)輸出端與第四保偏光纖3dB耦合器13、第五保偏光纖3dB耦合器14連接；第四保偏光纖3dB耦合器13、第五保偏光纖3dB耦合器14同時(shí)與合束耦合器5連接，并分別與第一相位調(diào)制裝置19、第二相位調(diào)制裝置20連接，兩相位調(diào)制裝置分別連接第一調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置21、第二調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置22；第一相位調(diào)制裝置19、第二相位調(diào)制裝置20光信號(hào)輸出端與第二保偏光纖3dB耦合器3、第三保偏光纖3dB耦合器4連接，兩耦合器同時(shí)與第一檢波裝置17、第二檢波裝置18及第一光纖布拉格光柵(FBG)6、第二光纖布拉格光柵(FBG)7連接；第一光纖布拉格光柵(FBG)6、第二光纖布拉格光柵(FBG)7貼合于第一副懸臂梁8、第二副懸臂梁9上；第一副懸臂梁8、第二副懸臂梁9與主懸臂梁10平行連接于質(zhì)量塊11和邊框25之間；合束耦合器5與光電探測(cè)器23連接；光電探測(cè)器23最終與檢波電路24連接。以上所述，光學(xué)連接均采用保偏光纖26、電學(xué)連接均采用導(dǎo)線27。

本發(fā)明裝置測(cè)試加速度的原理：

窄線寬光纖DBR激光光源1輸出的激光經(jīng)過(guò)第一保偏光纖3dB耦合器2等分為兩份，分別輸入至第一頻率調(diào)制裝置15、第二頻率調(diào)制裝置16；而后經(jīng)第四保偏光纖3dB耦合器13、第五保偏光纖3dB耦合器14進(jìn)入第一相位調(diào)制裝置19、第二相位調(diào)制裝置20；再經(jīng)第二保偏光纖3dB耦合器3、第三保偏光纖3dB耦合器4進(jìn)入第一光纖布拉格光柵(FBG)6、第二光纖布拉格光柵(FBG)7；第一光纖布拉格光柵(FBG)6、第二光纖布拉格光柵(FBG)7固定在第一副懸臂梁8、第二副懸臂梁9上，同時(shí)第一副懸臂梁8、第二副懸臂梁9、主懸臂梁10連接邊框25與質(zhì)量塊11；當(dāng)存在加速度時(shí)，質(zhì)量塊11發(fā)生偏移，第一副懸臂梁8、第二副懸臂梁9產(chǎn)生反向應(yīng)變，導(dǎo)致第一光纖布拉格光柵(FBG)6、第二光纖布拉格光柵(FBG)7中心反射頻率分離，反射光經(jīng)第二保偏光纖3dB耦合器3、第三保偏光纖3dB耦合器4進(jìn)入第一檢波裝置17、第二檢波裝置18，產(chǎn)生移頻信號(hào)分別作用于第一頻率調(diào)制裝置15、第二頻率調(diào)制裝置16，調(diào)制兩路入射光中心頻率；調(diào)頻后光束經(jīng)第四保偏光纖3dB耦合器13、第五保偏光纖3dB耦合器14進(jìn)入合束耦合器5產(chǎn)生光學(xué)拍頻信號(hào)，被光電探測(cè)器23接收，光電探測(cè)器23輸出光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)入檢波電路24，檢測(cè)到的拍頻信號(hào)頻率正比于加速度輸入。

具體實(shí)施中，各結(jié)構(gòu)的尺寸及參數(shù)可以設(shè)置為：

主懸臂梁：材料為鋁或硅，長(zhǎng)度為20～40mm，寬度為5～10mm，高度為20～30mm；

微懸臂梁：材料為鋁或硅，長(zhǎng)度為5～15mm，寬度為1～5mm，高度為1～10mm；

質(zhì)量塊：材料為銅或硅，長(zhǎng)度為30～50mm，寬度為15～30mm，高度為35～40mm

綜上所述，本發(fā)明提出一種基于FBG拍頻檢測(cè)的新型光學(xué)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，由于主梁和對(duì)稱微梁的優(yōu)化配置，所以FBG的應(yīng)變是均勻的，避免了因?yàn)閼?yīng)變不均造成的光譜的啁啾現(xiàn)象。由于是推挽配置，差動(dòng)輸出，因此系統(tǒng)的共模噪聲得到很大的抑制，同時(shí)靈敏度增加1倍。由于靈敏度與固有頻率獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此提高靈敏度的同時(shí)，并沒(méi)有犧牲系統(tǒng)的帶寬。由于是數(shù)字輸出，所以加速度計(jì)本質(zhì)上可以抵抗光強(qiáng)起伏造成的干擾。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。