一种新型的低频光学加速度计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com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。

2、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

3、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

4、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http://www.cqvip.com在这种光学传感器中，安在震动质量(seisfill‘c-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

5、。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(

6、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，获得的条纹图样(条纹间隔Q=Q／2)可与稷动光栅相比拟。最后两光束叠加产生一种新的干涉图样(条纹间隔约130tma)，干涉图样随相对位相的变化而变化。为了确定震动质量位移的方向，两根50／125多模光纤置于这种干涉图样之中，多模光纤采集光功率，光功率的变化传递干涉条纹的位移，并携载光信号到电子器件。3．3电子器件电子器件确保光探测以及两个正交光信号的触发，确保两正交信号之间相对传输的可逆_计数，以决定条纹图样相对位移

7、的值和敏感。最后，做一个数一模转换，以提供与相对位移成一16—维普资讯http://www.cqvip.com正比的模拟输出。除此之外，一个适宜的滤波器使人们可以避免机械系统的谐振频率。l：三21111Vs“lUVA(m)图2传感器的校准(A由基准器件给出)A：l0m2A：1ms-2A：0．032F(Hz)图3正确的频率响应这种新型传感器是安在摇震器上，并用两个器件作为加速度的基准。第一个擘件=!外光学器件，在实验室中专门开发的，以测量低频(O．2Hz一20IIz)；第二个器件是一个压电传感图2表示新型光学传感器的校准，20Hz频率时，其加速度范围A=0·03

8、ms和lOIlls一这个图表展示了良好