一种带准直器的光纤干涉式检波器装置的制作方法

本实用新型涉及光纤干涉式检波器装置，用于对工业应用、灾害预防、科研应用等领域加速度的测量。

背景技术：

目前，传统的加速度检波器主要是基于磁电或者压电效应，存在灵敏度低、动态范围小和信号传输容量低等缺点，而且传感器对电磁干扰比较敏感，不适合在地磁场、电磁场较强的场合。另外，随着勘探工作的进一步发展，深层、高分辨率勘探已是当今勘探的主要方向，因此，常规检波器已不能满足需要，高质量的检波器和具有高分辨率并抗电磁干扰的加速度检波器将成为适应当今勘探发展的重要产品。光纤加速度检波器，相对传统加速度检波器在灵敏度、动态范围和信号传输方面有明显的提高，同时具有抗电磁干扰、抗信号串扰、无源器件易于复用、频带宽、失真度小、灵敏度高、无火花、能在易燃和温差较大的环境中使用等优点。从目前的情况看，已有一些成型产品投入市场，也有一些已做成样机进行工业实验，但大部分还是处在实验室研究阶段。

中国专利：CN03236644.2“顺变柱体全光纤双光路加速度地震检波器”公开了一种顺变柱体全光纤双光路加速度地震检波器，该装置由橡胶制作的顺变柱体很容易在横向振动下变形致使横向灵敏度较大，而且不适用于在水下工作的情况,尤其是在深水中当水压比较大的时候,顺变柱体受压变形将使其不能正常工作，其次体积相对较大，制作工艺相当复杂。

中国专利：CN201120244458.3公开了一种光纤检波器，虽然制作工艺简单，体积小，但是光纤干涉两臂之间没有补偿，温度影响会带来附加的光程差，导致测量不准确，横向灵敏度没有得到很好的限制，装置整体抗干扰能力差，准确度和精确度下降。

技术实现要素：

为了克服现有的加速度检波器灵敏度低，动态范围小，横向灵敏度大，易受电磁干扰，制作工艺复杂等不足，本实用新型提供一种带准直器的光纤干涉式检波器装置，通过光纤迈克尔逊干涉仪原理对振动目标的加速度进行高精度测量，具有抗干扰能力强、结构简单、一致性、灵敏度高和成本低等特点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带准直器的光纤干涉式检波器装置，包括一个半导体激光器、光纤环形器、1×2耦合器、光电探测器和封装箱，光纤环形器的三端分别与半导体激光器，1×2耦合器和光电探则器连接，其特征在于在封装箱内有一个由上壳体和下壳体的组成的壳体，在壳体的垂直方向上对称固定第一光纤准直器和第二光纤准直器，壳体内固定一个由上质量块和下质量块组成的质量块，在上质量块的上表面与第一光纤准直器位置相对应处固定有第一法拉第旋转镜，在下质量块的下表面与第二光纤准直器位置相对应处固定有第二法拉第旋转镜，上、下质量块中间夹持固定一个弹簧片，弹簧片的边缘固定在壳体上。

半导体激光器发出的激光经过光纤环形器进入封装箱后，首先进入1×2耦合器被分成两束光，两束光分别入射到第一光纤准直器和第二和光纤准直器内，光经过准直器变成平行光射出，两束由准直器出射的平行光分别垂直入射到法拉第旋转镜上，在法拉第旋转镜上发生反射，反射回到原光路中的两束光进入1×2耦合器产生干涉现象。法拉第旋转镜可以将入射光的偏振状态旋转90°，这样入射光和法拉第旋转镜的反射光就不会发生干涉，避免了由干涉引起的附加条纹的变化。上壳体和下壳体以及其内部结构成上下对称设计，其中法拉第旋转镜镶嵌固定在质量块上，两块完全相同的质量块和中间的弹簧片三者通过螺旋连接方式紧密固定，使它们的运动状态保持一致，光纤准直器、反射镜、质量块和螺丝的中心轴在一条直线上。两个外壳和中间的弹簧片同样也通过螺旋连接方式固定。当质量块处于静止时，两束反射光之间没有光程差，没有干涉条纹。当质量块受到外界环境影响产生向上或向下振动时，两路反射光之间会产生相应的光程差，因此产生干涉条纹，弹簧片最终使质量块恢复到平衡位置。

在使用时，外界环境振动，内部质量块做加速度相同的振动发生位移，若其中一路光程减小，则对应的另一路光程增加，而且变化量相等，因此产生相应的光程差，同时产生干涉条纹。环形器的另一端接在光电探测器上面，可以探测干涉条纹相应的相位变化，之后振动信号解调模块进行解调可以得出相应的干涉信息，进一步得出振动的加速度。

与现有加速度检波器相比，本实用新型具有如下优势：

(1)利用两个光纤准直器，准直器可以将不同方向的入射光转换成平行光射出，使两个干涉臂信号强度增加，提高测量精度。

(2)采用了特殊形状弹簧片限制横向振动，提高灵敏度的同时提高检波器的横向抑制比。

(3)通过两个质量块的位移变化从而使准直器与法拉第旋转镜之间的垂直距离发生改变，因此两干涉臂信号之间产生光程差，生成干涉信号，而非利用光纤的应变产生光程差，提高了测量精度，降低制作难度，同时也节省了大量光纤材料。

(4)利用两个对称的质量块，弹簧片作为弹性元件,结构简单，有效地减小了光纤检波器的体积、制作工艺和成本。

附图说明

图1是本实用新型装置系统图。

图2是弹簧片形状示意图。

图例：1、半导体激光器，2、光纤环形器，3、1×2耦合器，4、第一光纤准直器，5、第一法拉第旋转镜，6、上质量块，7、弹簧片，8、下质量块，9、第二法拉第旋转镜，10、第二光纤准直器，11、上壳体，12、下壳体，13、光电探测器，14、振动信号解调模块，15、封装箱。

具体实施方式

一种带准直器的光纤干涉式检波器装置，包括一个半导体激光器1、光纤环形器2、1×2耦合器3、光电探测器13和封装箱15，光纤环形器2的三端分别与半导体激光器1，1×2耦合器3和光电探则器13连接，振动信号解调模块14与光电探则器13连接，在封装箱15内有一个由上壳体11和下壳体12的组成的壳体，在壳体的垂直方向上对称固定第一光纤准直器4和第二光纤准直器10，壳体内固定一个由上质量块6和下质量块8组成的质量块，在上质量块的上表面与第一光纤准直器位置对应处固定有第一法拉第旋转镜5，在下质量块的下表面与第二光纤准直器10位置对应处固定有第二法拉第旋转镜9，上、下质量块中间夹持固定一个弹簧片7，弹簧片的边缘固定在壳体上。

半导体激光器采用窄线宽半导体激光器，激光器的波长可以选择1310nm，1064nm，780nm，650nm。还可以根据被测加速度的大小来选择合适波长范围的激光器。

封装箱为完全密闭,保证空气在封装箱内不流通，对探头的阻尼系数不产生影响。

外壳1和外壳2固定连接在封装箱内。

弹簧片7设计成弯曲镂空形状，可增加检波器的灵敏度。

质量块采用上下对称的结构设计，两个质量块中间夹有弹簧片7，三者用螺旋连接方式紧密固定。

振动信号解调模块从干涉信号中解调出相应的加速度的值。

半导体激光器发出的激光经过光纤环形器进入封装箱后，首先进入1×2耦合器3被分成两束光，两束光分别入射到外壳1和外壳2上的第一光纤准直器4和第二光纤准直器10内，光经过准直器变成平行光射出，两束由准直器出射的平行光分别垂直入射到法拉第旋转镜上，在法拉第旋转镜上发生反射，反射回到原光路中的两束光进入1×2耦合器3产生干涉现象。当质量块处于静止时，两束反射光之间没有光程差，没有干涉条纹。当质量块受到外界环境影响产生向上或向下振动时，两路反射光之间会产生相应的光程差，因此产生干涉条纹。弹簧片7可以使质量块在产生位移后能够恢复到平衡位置，准备下一次的测量。从1×2耦合器3出来的相干光进入到光纤环形器2，光纤环形器2的另一端接在光电探测器13上面，将光信号转换为电信号，可以探测干涉条纹相应的相位变化，之后振动信号解调模块14进行解调可以得出相应的干涉信息，进一步得出振动的加速度。

在使用时，封装箱15固定在被测振动位置，内部质量块的位移与封装箱15做加速度一致的运动，因为光照射质量块后又原路反射回来，所以光路变化量是位移的两倍，若其中一路光程减小，对应的另一路光程即增加，而且变化量相等，则产生相应的光程差是位移的四倍，两路干涉信号因存在光程差而产生干涉条纹，经光电探测器13探测，将光信号转换为电信号，光程差转换为相应的相位变化信息被探测，经过振动信号解调模块14，将相位变化信息解调出来，因此就得到了被测加速度。因为光程差与位移是四倍关系，所以灵敏度得到提高，而且两个质量块形成的结构，使得温度、横向压力在两干涉臂中引起的变化相同而相互抵消，故检波器的横向灵敏度理论上为零，外界环境温度的影响也减弱，提高了测量精度和抗干扰能力。同时利用光纤准直器，使出射光变为平行光，干涉信号强度得到增加，又进一步增加了测量的精度。在结构上简单不复杂，有效地减小了光纤检波器的体积、制作工艺和成本。