阅读说明：本技术 基于光电振荡器的加速度测量仪器 (Acceleration measuring instrument based on photoelectric oscillator ) 是由 于晋龙 毛新丹 王菊 马闯 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光电振荡器的加速度测量仪器,包括由宽谱光源、调制器、光纤光栅、微波放大器,微波滤波器、光电探测器构成的光电振荡回路。该结构通过粘贴在悬臂梁上的光纤光栅来感知加速度变化：加速度变化引起光纤光栅的形变,引起其中心波长变化,中心波长决定了光电振荡回路谐振腔的基频f<Sub>0</Sub>,此时基频的检测精度就是加速度测量精度。再利用累积放大原理,当谐振腔振荡在高次谐波时,实际谐振频率f<Sub>N</Sub>＝Nf<Sub>0</Sub>,则基频的变化就被放大了N倍,可以达到很高的测量精度。本发明有益效果：具有极简单的结构和极好的相位噪声性能；利用OEO将光纤光栅波长变化转换为微波信号频率变化并利用累积放大原理,能够达到较高的传感分辨率,且可靠性较高。(The invention discloses an acceleration measuring instrument based on a photoelectric oscillator, which comprises a photoelectric oscillation loop consisting of a wide-spectrum light source, a modulator, a fiber bragg grating, a microwave amplifier, a microwave filter and a photoelectric detector. The structure senses acceleration change through the fiber bragg grating pasted on the cantilever beam: the acceleration change causes the deformation of the fiber grating, which causes the change of the central wavelength thereof, which determines the fundamental frequency f of the resonant cavity of the photoelectric oscillation circuit 0 At this time, the detection accuracy of the fundamental frequency is the acceleration measurement accuracy. Then, by using the accumulation amplification principle, when the resonant cavity oscillates at higher harmonic, the actual resonant frequency f N ＝Nf 0 The change of the fundamental frequency is amplified by N times, and high measurement accuracy can be achieved. The invention has the beneficial effects that: has an extremely simple structure and excellent phase noise performance; the OEO is utilized to convert the wavelength change of the fiber bragg grating into the frequency change of a microwave signal, and the accumulation amplification principle is utilized, so that the high sensing resolution can be achieved, and the reliability is high.)

基于光电振荡器的加速度测量仪器

技术领域

本发明涉及加速度测量系统，具体来说，涉及一种基于光电振荡器(OEO)的加速度测量仪器。

背景技术

加速度测量一般是通过检测质量块的振动而间接测量加速度变化，将加速度变化引起的振动信息转化为其他参数，再将其提取出来，传统的加速度传感器有压电式、压阻式、电容式等多种类型，但是传统的加速度传感器灵敏度低、容易受到电磁、温度的干扰，容易引入一些误差，故很难实现对加速度的精确测量。随着光纤技术的发展，基于光纤光栅的加速度测量可以有效地解决上述问题，使其在汽车、船舶、桥梁、航空航天、军事等领域有重要的应用。

光纤光栅是反射型光栅，其中心波长对外界温度、应力应变等因素的变化敏感，可以通过中心波长调制获得加速度信息，再将波长变化解调出来，但是光学解调设备(如光谱仪等)价格昂贵，一般常用于实验室中，限制了其广泛应用，因此如何将光纤光栅的波长变化解调出来成为国内外的研究重点。目前常用的光纤光栅波长解调技术主要分为两类：滤波法和干涉法。滤波法是将波长变化转化为强度变化，构造一个可调谐的光学滤波器，主要包括匹配光栅检测法、可调谐滤波检测法、边缘滤波器检测法、电荷耦合器阵列法以及波长可调谐光源解调法等。这类方法虽然比较简单，但是很难进一步提高传感精度。而干涉法利用的是光波的相干性，即将波长的漂移量转化为相位变化量进行测量，其在实际中的应用主要有非平衡马赫曾德尔干涉法以及迈克耳孙干涉法等。该类方法的检测灵敏度以及分辨率较高，但是容易受到外界温度环境的变化以及振动或抖动的干扰，对解调的工作环境要求严苛。上述两类解调方法主要针对频率比较低的信号(KHz以内)，但在一些特殊领域，需要对高速变化的信号(mHz级)进行测量，且对传感分辨率的要求比较高。因此近年来，研究人员提出了一些新的解调方法，将光域传感信息转换到微波域，主要方法有两类：一类将光纤光栅波长变化转换为微波信号频率变化，另一类将光纤光栅波长变化转换为强度变化。相比较而言，将光纤光栅波长变化转换为微波信号频率变化的方法能够达到较高的传感分辨率，且可靠性较高。

光电振荡器(OEO)是近年来发展起来的一种新型振荡器，能够产生超低相位噪声的微波信号，输出的频谱纯度很高，可达mHz量级，因此利用OEO结构将加速度变化转换为所生成的微波信号频率的改变，有利于提升其传感分辨率。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出了一种基于光电振荡器(OEO)的加速度测量仪器，利用光纤光栅的谐振波长对外界温度、应变、折射率、浓度等的变化敏感性，把光纤光栅同时作为传感元件及OEO中的滤波单元，搭建一个最基本的光电振荡器(OEO)结构，当外界待测加速度改变时，光纤光栅的波长随之发生变化，中心波长决定了谐振腔的基频f₀，此时基频的检测精度就是加速度测量精度。再利用累积放大原理，当谐振腔振荡在高次谐波时，实际谐振频率f_N＝Nf₀，则基频的变化就被放大了N倍，此时可以通过观测输出的微波信号计算待测加速度。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于光电振荡器的加速度测量仪器，包括沿宽谱光源射出方向设置的调制器，所述调制器输出的光信号经过一三端口环形器的第一端口和第二端口后进入到光纤光栅中；所述三端口光环形器的第三端口至所述调制器之间设置有光电振荡回路，自所述光纤光栅反射回来的光通过所述三端口环形器的第三端口通过所述光电振荡回路反馈回调制器的微波调制端口。

进一步讲，本发明所述的基于光电振荡器的加速度测量仪器，其中，所述光电振荡回路由所述三端口光环形器的第三端口至所述调制器之间设置的光电探测器、第一微波放大器、微波滤波器、第二微波放大器和电耦合器构成；自所述光纤光栅反射回来的光通过所述三端口环形器的第三端口通过所述光电振荡回路反馈回调制器的微波调制端口的经过是自所述光纤光栅反射回来的光通过所述三端口环形器的第三端口进入到所述光电探测器；通过光电探测器将光信号转化为电信号之后经过所述第一微波放大器放大，放大后的电信号经过所述微波滤波器后再经过所述第二微波放大器放大，放大后的电信号经过所述电耦合器反馈回调制器的微波调制端口。

所述光纤光栅粘贴在一悬臂梁上，所述悬臂梁的自由端连接有重物，对所述重物施加外力，使所述重物产生加速度，从而引起所述悬臂梁的形变，继而引起所述光纤光栅的中心波长变化，最终改变光电振荡回路的谐振腔基频f₀；所述电耦合器的一端与所述调制器相连，所述电耦合器的另一端与外部的电谱仪相连，通过所述电谱仪观测输出的微波信号。

所述宽谱光源是半导体宽谱光源或是基于EDFA的宽谱光源。

本发明中，所述光纤光栅同时作为传感元件及光电振荡回路中的滤波单元，其中，所述光纤光栅的中心波长计算公式为：

λ＝2n_effΛ (1)

式(1)中，λ为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n_eff为光纤光栅的有效折射率；

当外界待测加速度a改变时，所述光纤光栅发生形变，根据式(2)和式(3)得到式(4)：

式(2)、式(3)和式(4)中，λ为光纤光栅的中心波长，P_ε为光纤的弹光系数，ε为光纤光栅的应力，a为待测加速度，F为施加在测试重物上的外力，m为测试重物的质量，E为悬臂梁的弹性模量，S为悬臂梁的截面积；

光电振荡回路的实际谐振频率f_N通过微波滤波器选模得到，并满足：

f_N＝Nf₀ (5)

式(5)中，N为自然数；f₀是光电振荡回路的谐振腔基频，通过外部电谱仪观测输出的微波信号得到f_N的变化，利用频率与波长的关系，得到光纤光栅的中心波长的变化Δλ，最终，利用式(4)得到待测加速度a。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用了光电振荡器(OEO)结构，利用光电振荡器生成的微波信号测量分辨率高的优势，并且将积累放大原理应用于加速度测量，将被测量的变化放大了10⁵～10⁶倍，从而达到很高的传感分辨率，且可靠性较高。

(2)本发明将光纤光栅波长变化转换为微波信号频率变化，可以在电域上进行快速信息提取与处理，能够实现高分辨率、高速传感解调。

(3)本发明测量仪器操作简单易行，与光学解调设备相比成本较低，适合大范围推广。

附图说明

图1为本发明基于光电振荡器(OEO)的加速度测量仪器结构示意图；

图中：

1-宽谱光源 2-调制器 3-三端口光环形器 4-光电探测器

5-第一微波放大器 6-微波滤波器 7-第二微波放大器 8-电耦合器

9-光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种基于光电振荡器(OEO)的加速度测量仪器，包括沿宽谱光源1射出方向设置的调制器2，所述宽谱光源1输出的直流光信号注入到所述调制器2中，所述调制器2输出的光信号经过一三端口环形器3的第一端口3a和第二端口3b后进入到光纤光栅9中；所述三端口光环形器3的第三端口3c至所述调制器2之间设置有光电振荡回路，自所述光纤光栅9反射回来的光通过所述三端口环形器3的第三端口3c通过所述光电振荡回路反馈回调制器2的微波调制端口。

所述光电振荡回路由所述三端口光环形器3的第三端口3c至所述调制器2之间设置的光电探测器4、第一微波放大器5、微波滤波器6、第二微波放大器7和电耦合器8构成；自所述光纤光栅9反射回来的光通过所述三端口环形器3的第三端口3c通过所述光电振荡回路反馈回调制器2的微波调制端口的经过是自所述光纤光栅9反射回来的光通过所述三端口环形器3的第三端口3c进入到所述光电探测器4；通过光电探测器4将光信号转化为电信号之后经过所述第一微波放大器5放大，放大后的电信号经过所述微波滤波器6后再经过所述第二微波放大器7放大，放大后的电信号经过所述电耦合器8反馈回调制器2的微波调制端口，从而形成闭合的光电振荡回路。

所述光纤光栅9粘贴在一悬臂梁上，所述悬臂梁的自由端连接有重物，对所述重物施加外力，使所述重物产生加速度，从而引起所述悬臂梁的形变，所述光纤光栅9通过粘贴在悬臂梁上感知加速度变化，继而引起所述光纤光栅9的中心波长变化，最终改变光电振荡回路的谐振腔基频f₀；所述电耦合器8的一端与所述调制器2相连，所述电耦合器8的另一端与外部的电谱仪相连，通过与所述电耦合器另一端相连的外部电谱仪观测输出的微波信号。

本发明中，所述宽谱光源1可以是半导体宽谱光源，也可以是基于EDFA的宽谱光源，所述第一微波放大器5和所述第二微波放大器6小信号增益皆为30dB为光电振荡回路起振提供足够的增益。

本发明的设计思路上将光纤光栅波长变化转换为微波信号频率变化，搭建一个最基本的光电振荡器(OEO)结构，把光纤光栅9同时作为传感元件及OEO中的滤波单元，其中，所述光纤光栅9的中心波长计算公式为：

λ＝2n_effΛ (1)

式(1)中，λ为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n_eff为光纤光栅的有效折射率；

当外界待测加速度改变时，光纤光栅9发生形变，光纤光栅9的光栅常数Λ发生改变，导致其输出波长发生变化，根据光栅波长与应变变化关系式和弹性系统中加速度与应变的关系：

根据式(2)和式(3)，可以得到：

式(2)、式(3)和式(4)中，λ为光纤光栅的中心波长，P_ε为光纤的弹光系数，ε为光纤光栅的应力，a为待测加速度，F为施加在测试重物上的外力，m为测试重物的质量，E为悬臂梁的弹性模量，S为悬臂梁的截面积；从式中可以看出光纤光栅波长改变量与加速度呈线性变化关系，因此只需测量其光纤光栅波长改变量即可，光纤光栅中心波长决定了谐振腔的基频f₀，由于振荡器中f₀的整数倍频均能满足光电振荡回路OEO的振荡条件，OEO的实际谐振频率f_N通过微波滤波器6选模得到，满足：

f_N＝Nf₀ (5)

式(5)中，N为自然数，f₀是光电振荡回路的谐振腔基频，可见，实际谐振频率f_N为基频f₀的N倍，通过这一关系加速度变化导致的基频变化量便被放大了N倍，由此可以看出：在相同的观测条件和测试精度前提下，直接测量f₀的值远不如测量f_N和N再反求f₀所得到的精度高，测量误差被大大的减小；即通过外部电谱仪观测输出的微波信号得到f_N的变化，利用f_N和N再反求f₀，然后，再利用频率与波长的关系，得到光纤光栅的中心波长的变化Δλ，利用式(4)得到待测加速度a。

实施例

按照图1所示，基于光电振荡器(OEO)的加速度测量仪器，具体使用时，先将宽谱光源1输出的直流光信号注入到调制器2中，所述调制器2输出的光信号通过三端口环形器3的第二端口3b进入到光纤光栅9中，光纤光栅9通过粘贴在悬臂梁上感知加速度变化，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，反射回来的光通过所述三端口环形器3的第三端口3c进入到所述光电探测器4；通过光电探测器4将光信号转化为电信号之后经过第一微波放大器5放大，放大后的电信号经过所述微波滤波器6后再经过第二微波放大器7放大，放大后的电信号经过所述电耦合器8反馈回调制器2的微波调制端口，从而形成闭合的光电振荡回路，谐振腔的基频为通过光纤光栅反射回来的光的频率，当外界加速度改变时，通过光纤光栅反射回来的光的中心波长也将发生变化，再利用累积放大原理，当谐振腔振荡在高次谐波时，实际谐振频率f_N＝Nf₀，则基频的变化就被放大了N倍，通过外部电谱仪观测输出的微波信号即可计算出光纤光栅的应力变化。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。