一种新型的低频光学加速度计.pdfVIP

维普资讯 一 种新型 的低 频光学加速度计 云 山 编译 摘 要 介绍了一种低频光学加速度计，它可用于水电站的临视系统 采用光纤技术及干 涉工艺 ，实现了应用所要求 的高灵敏 嚏。小型化 的体积及 简洁性的原理使其非常适用于这一领 域。 关键词 加速度计 光学传感器 衍射光栅 干涉系统 l 引言 近年来 ，为了精确监测强 电磁场环境 中的振动 ，人们对光学加速度计的研究进行了很大的 努力 ，因为传统的压 电或 电容式传感器无法做到。 在复杂的工业安装 中(如水 电站)，对转动机械磨损部分的永久监视…是非常必要的，这样 可 以预防机械故障，从而避免因故障引起的长时间停 顿 以及更换部件时所需的高昂费用 。经 过一段时间的运转 ，用传感器监测磨损部分振动光谱的变化就可知其磨损程度 ，而监测过程是 将机械运转初始时的光谱与传感器给出的光谱进行连续 比较来实现。 用于振动或加速度测量的这种光学传感器是 由光强调制 、偏振测量 、干涉测量或波长编码 传感器组成 。光强调制传感器的原理是为了修正光波的功率 ，作为测量函数量 2 』。它们容 易安装 ，主要缺点是对外界影响灵敏 ，并需要 电子补偿系统 。偏振测量传感器的原理是 ：当光 弹性材料 [6j或光纤 中某量产生 ]应力时 ，对光波偏振进行分析。通常 ，这类传感器不易安装。 采用衍射光栅[]或光纤布啦格 (Bragg)光栅 J的波长编码传感器具有不易直接受外界光功率 变化的影响，但需要更复杂的分析系统。干涉测量传感器是根据马赫 一曾德尔l10,n』、迈克尔 逊或法布理 一珀罗结构原理 [B]，在振动敏感过程 中具有较高的分辨率：然而，该技术可能受 到寄生效应的影响，从而改变两合成波的光路 。 考虑到这些结构的优缺点 ，我们开发了一种干涉测量传感器 ，它采用的方法能确保要求的 最大稳定性 。同样 ，还考虑 了传感器结构的对称布局 。此外 ，为了使其具有简洁化的的处理装 置 ，用干涉条纹计数来获取有关加速度的信息。 对于本文的应用 ，要求的技术指标如下 ：频率 0．2—70Hz；加速度 0．03—10ms一；横 向灵敏 摩 5％ 。 2 传感器的原理 为了测量机器部件 的振动谱 ，将该部件承受的加速度作为时间的函数来分析 。这个加速 度 A是从时刻测量的相对位移 x得出的。 A-(’墙)√(1一(丢 +4a(x……………………………… 其 中fl是测试部件 的振动频率 ， 和 a分别为机械系统的谐振频率和阻尼系数 。 一 15 — 维普资讯 在这种光学传感器 中，安在震动质量 (seisfillc‘-naSs)上的衍射光栅 ， 在 固定干涉条纹 图样 中 移动。两光束沿移动光栅的法线轴衍射，两束光束的相对相位是干涉条纹和移动干涉之间相 对位置的周期函数 。当这种情况受到加速度时 ，计数移动条纹的数 目就可 以时刻确定 x的 值。函数 X= t)的谱分析能够提供振动谱以及加速度的值 。 3 传感器 的描述 传感器由光机作动头 、光纤和处理器件组成。 图 1 实验装置 3．1 机械系统 为了得到平行于敏感方 向上的震动质量的位移，震动质量 由两块平行的铜条支撑 。选择 震动质量的特征是与要求的频率范围有关。为了获得 良好的灵敏度，谐振频率必须接近于规 定频率范围中的上频率。上述机械系统的模拟可以确定 =95Hz时的谐振频率值 ，模拟采用 的是 3g重震动质量和两块 0．3mm厚 、40mm长 、10mm高的铜条 。 3．2 光学系统 He～Ne激光器的光束入射到保偏单模光纤中。单模光纤与一渐变折射率的透镜相连 ，产 生一束直径 0．7mm的平行光束。入射光束空这一个石英块。光束遇到一个反射型衍射光栅 (刻纹间距 n=ltnn)。反射光栅靠近石英块 的端 面，并且光强相等的两光束被一阶衍射 。这 两个被衍射的光束在石英块的侧面全反射 ，最后在进入面相交。因此 ，获得的条纹图