微型光纤加速度计系统研究
摘要
本文研究了一种基于自聚焦(GRIN)透镜的微型光纤加速度计系统。它是一种光强调制型光纤传感器，具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、传输频带宽等特点。在本系统中设计了脉冲数字式再平衡回路，使得该微型光纤加速度传感器和一般的光纤传感器相比，又具有动、静态性能较好，精度、稳定性较高等优点。
在文中，首先介绍了光线在阶跃型光纤和梯度折射型光纤中的传播路径，以及在一端镀有反射膜的1／4波节长度的GRIN透镜中的成像规律，并推导了光功率耦合函数。通过分析微位移与光功率的关系，以及加速度与微位移的关系，建立了加速度与光功率的关系。然后，从控制理论的角度对整个数字式光纤加速度计系统进行了分析，着重研究了系统中各部分的传递函数，指出了包括分辨率、标度因数、采样约束和精度等在内的一般问题，同时设计了系统的校正网络，并指出在实际电路中应该注意的问题。最后，介绍了数字式加速度计的参考电路设计，其中重点介绍了数字式再平衡回路的设计，包括脉宽调制、恒流源、极性开关等电路的设计。在本方案中，为尽可能地提高检测效果，我们对光源进行了调制，以达到抗噪声的目的；在前置放大部分，采用组合差动放大电路进行电流电压的转换，这种电路具有高增益、高精度、低输入阻抗和抗干扰能力强等优点；为提高精度，相干检测和锁相跟踪技术被应用到系统中来；设计脉宽调制电路时，摈弃了以往的分立元件实现脉宽调制的方法，采用SG3525集成PWM控制器，简化了设计过程，大幅度减少了元器件数量和连接焊点，使整个系统性能更好、更容易集成。
本传感器通过改造，适当选择换能机构的设计，不仅可以测量微位移，而且还可以应用于压力测量、液体流量测量以及振动等物理量的测量，具有广泛应用前景。
An intensity modulated fiber optic micro-accelerometer with a digitally feedback circuit is designed. This sensor employs a graded index lens with a reflective coating on one end and measures the relative displacement between the lens and a pair of optical fibers. Because of the digitally rebalanced circuit, the sensor is capable of achieving better static and dynamic characteristic, higher sensitivity and stability.
In this paper, the propagation path of light in the step index fiber and graded index fiber is introduced firstly. Then the paper sets up the coupled power model and develops the coupling function. The system of digitally optic fiber acceleration sensor is analyzed by computer , and The detailed implementation circuits are designed. To improve the performance of the system, some methods are introduced, such as photoelectric brightness Modulating, amplification of the photoelectric AC signal and filter design .The circuitry of the demodulator is also presented. This work lays solid foundation for the future system integration.
在文中，首先介绍了光线在阶跃型光纤和梯度折射型光纤中的传播路径，以及在一端镀有反射膜的1／4波节长度的GRIN透镜中的成像规律，并推导了光功率耦合函数。通过分析微位移与光功率的关系，以及加速度与微位移的关系，建立了加速度与光功率的关系。然后，从控制理论的角度对整个数字式光纤加速度计系统进行了分析，着重研究了系统中各部分的传递函数，指出了包括分辨率、标度因数、采样约束和精度等在内的一般问题，同时设计了系统的校正网络，并指出在实际电路中应该注意的问题。最后，介绍了数字式加速度计的参考电路设计，其中重点介绍了数字式再平衡回路的设计，包括脉宽调制、恒流源、极性开关等电路的设计。在本方案中，为尽可能地提高检测效果，我们对光源进行了调制，以达到抗噪声的目的；在前置放大部分，采用组合差动放大电路进行电流电压的转换，这种电路具有高增益、高精度、低输入阻抗和抗干扰能力强等优点；为提高精度，相干检测和锁相跟踪技术被应用到系统中来；设计脉宽调制电路时，摈弃了以往的分立元件实现脉宽调制的方法，采用SG3525集成PWM控制器，简化了设计过程，大幅度减少了元器件数量和连接焊点，使整个系统性能更好、更容易集成。
本传感器通过改造，适当选择换能机构的设计，不仅可以测量微位移，而且还可以应用于压力测量、液体流量测量以及振动等物理量的测量，具有广泛应用前景。
An intensity modulated fiber optic micro-accelerometer with a digitally feedback circuit is designed. This sensor employs a graded index lens with a reflective coating on one end and measures the relative displacement between the lens and a pair of optical fibers. Because of the digitally rebalanced circuit, the sensor is capable of achieving better static and dynamic characteristic, higher sensitivity and stability.
In this paper, the propagation path of light in the step index fiber and graded index fiber is introduced firstly. Then the paper sets up the coupled power model and develops the coupling function. The system of digitally optic fiber acceleration sensor is analyzed by computer , and The detailed implementation circuits are designed. To improve the performance of the system, some methods are introduced, such as photoelectric brightness Modulating, amplification of the photoelectric AC signal and filter design .The circuitry of the demodulator is also presented. This work lays solid foundation for the future system integration.
引文
1．于耀明，张爽斌等，光纤通信原理，人民邮电出版社
2. W.B. Spillman Jr. and D.H. Mc. Mahon. Frustrated-total-internal-reflection multimode fiber-optic hydrophon. Appl. Opt. 19,113～117(1980).
3. N.Lagakos, T. Litovitz, P. Macodo, R. Mohr and R. Meister. Multimode Optical Fiber Displacement Sensor.Appl. Opt. 20,167～168(1981).
4. W.J. Tomlinson. Applications of GRIN Rod lenses in Optical Fiber Commun[J].Applied. Opt. 1980.19 (8):1127～1131
5. Glen A. Rines," Fober-Optic accelerometer with hydrothone applications",Applied Optics,Vol. 20, No,1 October 1981
6. D.Gloge and E.A.J. Marcatili," Multimode Theory of Graded-Core Fibers",The Bell System Technical.Journal Vol. 52, No9, November, 1973.
7．李泽民编著，光纤通信，科学技术文献出版社
8. Charles M. Pavis," Fiber Optic sensors: an overview",Optical Engineering, Vol. 24, No2, March 1985.
9．王惠南，采用GRIN透镜之光纤加速度计原理分析，光子学报，Vol.24，No．1，Feb．1995
10．黄伟同，俞本立等，使用自聚焦透镜测量小位移的新方法．光学学报．1996，16(6)：816～821．
11．叶世雄，冯佩明，国外惯性加速度计的研制与发展情况，惯性导航与仪表，No．2～4，1980；No．1～4，1981
12．吕志清，侯正君，线加速度计的现状和发展动向，[J]压电与声光，1998，6。
13．徐大雄编著，纤维光学的物理基础，高等教育出版社
14．田果成，简水生1／4节距自聚焦透镜与石英传象光纤组成的纤维窥镜的设计[J]北方交通大学学报，1991．(3)：63～66
15．何铁春等编，惯性导航加速度计，国防工业出版社
16．郝广前，脉冲调宽伺服放大器，惯性导航与仪表，1982
17．Blaock,E.J.Kenndy,R.D.Meknight，用于捷联式陀螺仪的脉冲调宽再平衡电子回路的研究，制导与器件，No．14，1975-1975
18. Warren K. Electrostatically force-banlanced silicon accelerometer,Journal Of The Institude of Navigation. 1991. 38 (1): 91～99.
19．赵长德，陈曼，徐力，微机械加速度计及电容检测电路的设计，中国惯性技术学报，1999，3，Vol7，No1．
20．雷立铭，大量程石英加速度计二元调宽再平衡回路的设计，中国惯性技术学报 2002，2，Vol 10，No1．
21．李宏生，万德钧，陀螺仪二元调宽脉冲再平衡回路的设计方法，华中理工大学学报，1996，10，Vol24，No10．
22．庄觉辉，一种挠性陀螺脉冲调宽电路的设计，集美航海学院学报12(2)：22～26，1994
23．高钟硫，赵长德，张峡，董景新，微机械加速度计的研究，清华大学学报(自然科学版)，1998，Vol38，No11．
24．胡寿松主编，自动控制原理，国防工业出版社
25．高稚允，高岳，光电检测技术，国防工业出版社
26．B．卡尔肖著，光纤传感与信号处理，成都电讯工程学院出版社
27．李晓军，尹长松，半导体光电探测器及进展，半导体杂志，1997，6，Vol 22，No2．
28．卢春生，光电探测技术及应用，机械工业出版社．
29．刘卫东，刘延冰，刘建国，检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计，电测与仪表，1999，4，Vol36，No 400．
30．张建华，微弱光电信号检测系统，光电子技术，2002，6，VoL22，No 2．
31．方建邦等编，锁相环原理及应用，人民邮电出版社
32．R．F．格拉夫，电子电路百科全书，科学出版社
33．康华光主编，电子技术基础，高等教育出版社
34．陈佳圭编著，微弱信号检测，中央广播电视大学出版社
35．万心平等编，锁相技术，西安电子科技大学出版社
36. Bryson A.E and Johansen D.E. Linear Filtering for Time-varying Systems Using Measurements Containing Colored Noise. IEEE Trans Automatic Contrlo, 1965 January ,AC-10:4-10.
37．陈佳圭编著，微弱信号检测，中央广播电视大学出版社
38. Drouiche K. A new test for whiteness. IEEE Transactions on Signal Processing, 2000, July, 48(7):1864-1871
39. Rogers S.R..Alpha-beta Filter with Correlated Measurement Noise. IEEE Transaction on Aerospace and Electronic System, 1987,23(4):592-594
40. Gao Y.,Krakiwsky E.J. and Liu Z.W..A New Algorithm for Filtering a Correlated Measurement Sequence Manuscripta Geodaetica, 1992,17(2):96-103
41. Huber P J. High breakdown-point and high efficiency robust estimate for regression. Ann. Statist.,1987(20).
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24．胡寿松主编，自动控制原理，国防工业出版社
25．高稚允，高岳，光电检测技术，国防工业出版社
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