CN101968380B - 超低频振动计量器具校准系统及其激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于在超低频振动计量器具校准系统中使用的激光干涉仪，所述超低频振动计量器具校准系统还包括用于产生超低频振动的振动台，该激光干涉仪包括平面反射镜，其中所述激光干涉仪发射到所述振动台上的测量光由所述平面反射镜进行反射。另外，本发明还公开了采用该激光干涉仪的超低频振动计量器具校准系统。

Description

超低频振动计量器具校准系统及其激光干涉仪

发明领域

本发明涉及低频或超低频振动测量领域，尤其涉及用于对低频或超低频振动计量器具(如低频振动传感器)进行校准的超低频振动计量器具校准系统及其中采用的激光干涉仪。

背景技术

低频和超低频振动属于自然界中存在面较广的物理现象，如桥梁、大坝、高楼、大型水轮机组等大型结构的环境振动以及地震中的一些振动等都属于低频或超低频振动。这些大型结构一旦发生危险，将会造成不可估量的损失，因此开展低频和超低频振动的研究意义重大。

随着中国现代化建设的飞速发展，大型工程结构如高层建筑和大跨度桥梁自振频率越来越低(多数低于0.1Hz)，其状态监测和故障诊断已成为工程界研究的热点；城市轨道交通网的兴建，也使对振敏型精密仪器环境振动的测量和评估方法的研究成为社会广泛关注的焦点。用于地震预报和观测研究用的仪器要求具有良好的超低频(甚至零频)特性，如中周期地震计的频率下限为0.05Hz，宽频带地震计的频率下限甚至达到0.003Hz，海底地震观测和海浪的测量则更是属于超低频特大位移(0.05Hz，±10m)的振动测量。生物动力学研究、地质勘探、新能源的开发也都与超低频振动密切相关，核爆炸的监测更属超低频振动测量的范畴，涉及超低频振动的下限达0.003Hz。

中国现有的国家低频振动基准频率下限为0.1Hz，最大振幅为40mm，其测力范围远远不能满足上述领域对超低频振动计量器具(如超低频振动传感器)量值进行溯源的需求，因此迫切需要能够对超低频振动计量器具进行校准的超低频振动计量器具校准系统及其方法。

现有的用于对低频振动计量器具进行校准的低频振动计量器具校准系统通常包括用于测量振动台输出加速度(或速度或者位移)用的激光干涉仪以及用于对计量器具的输出信号以及激光干涉仪输出的信号进行采样分析的数据采集和分析装置。然而，现有的低频振动计量器具校准系统存在以下问题而导致不能适用于超低频振动领域：

1)由于低频振动计量器具校准系统中采用的大型机械子系统与复杂电子子系统的耦合、振动台长导轨加工精度和应力变形等因素，均会使激光干涉仪在动态超低频(频率低于0.01Hz)、大位移(位移大致1m左右)的微弱信号情况下，激光干涉仪的跟踪测量性能变差、精确测量困难。另外，激光干涉仪中采用的光电接收-放大器为了抑制漂移，均采用交流耦合方式，但该耦合方式的低频下限很难低于0.01Hz。此外，激光多普勒信号畸变会造成激光信号解算的错误。

2)低频到超低频(如＜0.01Hz，即T≥100s)信号的采样时间随测量周期的增大而大幅增长，因此对超低频振动信号采样所产生的庞大数据量会导致现有的数据采集和处理装置的存储器无法存储和操作全部数据。需要对现有数据采集和处理装置的数据采集和处理方法进行修改以适应超低频振动信号采样和处理的需要。

因此，需要一种可以解决现有低频振动计量器具校准系统中存在的问题以便能够适用于超低频振动领域的低频振动计量器具校准系统以及适于在这种低频振动计量器具校准系统中使用的激光干涉仪。

发明内容

为此，本发明提出了一种可以解决上述问题的超低频振动计量器具校准系统及其信号处理方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种适于在超低频振动计量器具校准系统中使用的激光干涉仪，所述超低频振动计量器具校准系统还包括用于产生低频振动的振动台，该激光干涉仪包括：平面反射镜，其中所述激光干涉仪发射到所述振动台上的测量光由所述平面反射镜进行反射。

可选地，该激光干涉仪还具有参考光路，而且所述参考光路包括：多个反射镜，所述多个反射镜固定在所述参考光路的镜架上，并且根据距离所述镜架底座的距离而分为多个反射镜组，其中每个反射镜组包括多个反射镜，每个反射镜组中的一个反射镜将光反射到其他反射镜组中。

可选地，该激光干涉仪还包括沃拉斯顿棱镜以产生两路正交的干涉光，而且所述激光干涉仪还包括两个光电接收-放大器，用于分别对所述干涉光进行光电转换以产生电信号，其中所述两个光电接收-放大器中的每个均包括：光电倍增管，用于对入射到所述光电倍增管的光信号进行光电转换。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种超低频振动计量器具校准系统，包括如上所述的激光干涉仪。

可选地，该超低频振动计量器具校准系统还包括振动台，用于产生在某些频率下的低频或超低频振动，而且被测低频振动计量器具安装在所述振动台上以感测所产生的低频或超低频振动；角锥棱镜，安装在所述振动台上，将由所述激光干涉仪所产生的测量光反射到所述平面反射镜上，并将来自所述平面反射镜的反射光反射回所述激光干涉仪；以及数据采集和处理装置，接收由所述激光干涉仪产生的两路相互正交的电信号以及由所述被测低频振动计量器具产生的感测信号，根据所述电信号和所述感测信号生成所述被测低频振动计量器具在所述低频或超低频频率和相应的振幅下的感测灵敏度。

根据本发明的激光干涉仪和超低频振动计量器具校准系统，通过采用角锥棱镜和平面反射镜的设计，使得无论角锥棱镜，发生扭摆、晃动或平移，光束都将沿原方向返回，由此使得测量光程加倍，以便可以更好地应用于低频和超低频振动测量领域。

另外，在本发明中，对于激光干涉仪中的参考光路，通过在空间上层叠多个反射镜，可以在相对小的空间内容纳更长的参考光光程，从而使得激光干涉仪更适于超低频振动测量。

根据本发明的超低频振动计量器具校准系统在测量频率0.002Hz～160Hz、动态测量光程大于1m的低频和超低频振动范围内实现了振动加速度、速度和位移灵敏度幅值和相移激光绝对法的准确测量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的超低频振动计量器具校准系统的框图；

图2示意性地示出了根据本发明一个实施例的超低频振动计量器具校准系统中的激光干涉仪的图示；

图3A-3C示意性地示出了根据本发明一个实施例的激光干涉仪中的参考光光路的布局方式；

图4示意性地示出了根据本发明一个实施例的激光干涉仪中采用的直流型光电接收-放大器的电路图；

图5示意性地示出了根据本发明一个实施例的超低频振动计量器具校准系统中的数据采集和处理装置的框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的超低频振动计量器具校准系统的框图。如图1所示，校准系统100包括振动台110、角锥棱镜120、激光干涉仪130和数据采集和处理装置140。振动台110产生预定的低频振动。被测低频或超低频振动计量器具150耦接到振动台110以便感测振动台110产生的低频或超低频振动。可选地，被测低频或超低频振动计量器具150通常为低频或超低频振动传感器，其通常固定到振动台110上来感测振动台110所产生的低频或超低频振动。在被测低频或超低频振动计量器具150具有传递面的情况下，角锥棱镜120可以安装在被测低频或超低频振动计量器具150的传递面上，或者角锥棱镜120可以安装在振动台110紧邻被测低频或超低频振动计量器具150的台面上，从而使得角锥棱镜120所感受的低频或超低频振动和被测低频或超低频振动计量器具150所感受的相同。应当注意的是，只要角锥棱镜120能够与被测低频或超低频振动计量器具150相同地感受振动台110所产生的低频或超低频振动，所有的角锥棱镜120的安装方式都在本发明的保护范围之内。

激光干涉仪130基于国际标准ISO 16063-11：1999所推荐的现有零差正交Michelson激光干涉仪，因此为了简明起见，在本申请中不对与现有零差正交Michelson激光干涉仪相同的部件的功能进行详细描述，而是仅仅对为了实现本发明所需要的必要部件以及本发明所提出的新部件进行详细描述。图2示出了根据本发明一个实施例的激光干涉仪130的图示，其中还示出了激光干涉仪130和角锥棱镜120之间的耦合。如图2所示，激光干涉仪130除了现有零差正交Michelson激光干涉仪中所包括的部件之外，还包括用于对角锥棱镜120所反射的光再次进行反射的平面反射镜210，因此，来自干涉仪激光器220的测量光在发射到安装在振动台110上的角锥棱镜120之后，由平面反射镜210反射返回。由于角锥棱镜120与平面反射镜210的组合使测量光做了二次折返，即干涉带增加了1倍，从而提高了该激光干涉仪所产生信号的分辨率。另外，该组合方式，尤其是在采用单个角锥棱镜120的情况下，使得角锥棱镜在发生扭摆、晃动或平移情况下，光束都将沿原方向返回，因此此设计最大限度地发挥了角锥棱镜的优点。

另外，在激光干涉仪130中，为了激光干涉信号的稳定，在光路中采用了测量光和参考光等光程设计。根据本发明的一个实施例，当振动台110用于超低频振动测量时，振动台运动部分的位移最大约为1m，加上振动台外的光路，单程的测量光程约为3m。另外，本发明的平面反射镜210和角锥棱镜120的设计使得光程加倍，这样整个测量光程将近6m到7m之间。由于等光程设计，即参考光的光路光程应该与测量光光程具有相同的长度，因此，激光干涉仪130内部需要很大的空间安排参考光的光路。

根据本发明的一个实施例，激光干涉仪130采用一种空间多层光路布局方式，以便在有限的空间中布局长的参考光光程。图3A-3C示意性地示出了这种参考光光路的布局方式，该参考光的布局通常应用于图2中的参考镜240和偏振片250之间的光路中。图3C示出了参考光光路的侧视图，参考光光路中采用了多个反射镜，这些反射镜均固定到镜架340上。这些反射镜根据与镜架340的底座310的距离而分为多个组。具体而言，图3C中示出了距离底座为第一距离的第一组反射镜320以及距离底座为第二距离的第二组反射镜330。每组反射镜包括多个反射镜。图3A示出了第一组反射镜320的具体布局，如图3A所示，第一组反射镜包括反射镜M1、M2、M3、M4和M5，其中参考光经过这些反射镜并且由反射镜M5反射到第二组反射镜330中。图3B示出了第二组反射镜330的具体布局，如图3B所示，第二组反射镜330包括反射镜M6、M7、M8、M9、M10和M11，由M5反射上来的参考光通过反射镜M6、M7、M8、M9和M10之后，由反射镜M11沿原路返回，并且由反射镜M6反射到第一组反射镜330中，并沿原路反射返回。如图3A-3C所示，第一组反射镜320和第二组反射镜330距离底座具有不同的距离，而且每组反射镜中都有一个反射镜用于将光反射到其它组反射镜中。这样，通过在空间上层叠多个反射镜，可以在相对小的空间内容纳更长的参考光光程，从而使得激光干涉仪130适于超低频振动测量。

应当注意的是，虽然在图3C中示出了两组在空间上层叠的反射镜组，但是本发明不局限于此，另外本发明也不局限于特定反射镜组中的反射镜布局。本发明通过在空间上层叠多个反射镜以便在有限的空间内尽量延长参考光的光程，本领域技术人员根据本发明实施例给出的启示完全可以设计出超过两层或者包括不同反射镜布局的参考光路设计。

根据本发明的一个实施例，第一组反射镜320距离底座有45mm，而第二组反射镜距离底座有70mm，通过这样的两组反射镜设计，可以提供大约6m到7m的参考光光程以便与测量光光程相匹配。

激光干涉仪130中利用沃拉斯顿(Wollaston)棱镜产生两路正交的干涉光，随后这两路干涉光信号由两个相应的光电接收-放大器230转换成两路正交的电信号并发送到数据采集和处理装置140进行进一步处理。

图4示意性地示出了根据本发明一个实施例的光电接收-放大器230的电路图。光电接收-放大器230包括接收光信号并转换为电信号的、由光电倍增管(PMT)制成的光电接收器410。由光电接收器410转换后的电信号由跟随器420进行扩流，并随后由放大器430进行放大并输出。可选地，在进行放大之前，利用零偏置电路440对扩流后的电信号进行偏置调零处理。图4中采用了直流耦合型的光电接收器来进行光电转换，从而克服了现有激光干涉仪中所采用的交流耦合型光电接收器增加电容后在超低频(0.1Hz以下)频段下形成附加相位差而增加测量误差源的问题。另外，在超低频振动情况下，所生产的信号为近乎直流的长周期信号，由于普通光电二极管对温度变化极为灵敏，因此在相当长的周期内采用反馈控制进行温度补偿几乎是不可行的。因此，图4中采用了由光电倍增管(PMT)制成的光电接收器，其对环境温度变化相对不灵敏。实验证明，在500秒的长周期振动测量中，由直流漂移带来的影响＜0.5×10^-4，完全满足测量不确定度的要求。综上可知，本发明的光电接收-放大器230通过采用由光电倍增管(PMT)制成的光电接收器410，使得光电接收-放大器230可以适用于超低频频段中的信号接收和放大。

继续参考图1，数据采集和处理装置140接收由激光干涉仪130产生的两路相互正交的信号以及由被测低频或超低频振动计量器具150产生的感测信号，根据来自激光干涉仪130的两路相互正交的信号确定振动台110的振动特征值(如振动频率和振动加速度、速度或位移)，并根据来自被测低频或超低频振动计量器具150的感测信号生成被测低频或超低频振动计量器具150所感测到的振动特征值(如与加速度成比例的电压值)，并将二者进行比较以确定被测低频或超低频振动计量器具150在某个频率和加速度(或速度、位移)下的感测灵敏度。

数据采集和处理装置140基于国际标准ISO 16063-11：1999“激光干涉法振动绝对校准”中正弦逼近法和国外文献“用于正交干涉仪的改进型相位连续展开算法”(István Dániel，Advanced successive phaseunwrapping algorithm for quadrature output Michelson interferometers[J]，Measurement，37(2005)，95-102.)来分别对两路正交信号和感测信号进行处理。

为了便于对数据采集和处理装置140的理解，下文阐述了正弦逼近法和用于正交干涉仪的改进型相位连续展开算法的基本原理：

在被测低频振动计量器具150为加速度计的情况下，其复灵敏度用复值函数表示：

其中

为加速度计灵敏度幅值，

为加速度计输出信号初相位，为振动台加速度初相位，

为加速度计复灵敏度相移。

设振动台产生的位移为：

被测低频或超低频振动计量器具150的输出为：

同步采集的激光干涉仪130的两路正交的信号输出为：

当

时，对应于每一组u₁(t_i)和u₂(t_i)的调相值序列

为：

为了避免调相值序列的不连续，式(5)中的n必须是整数。设

为

的小数部分：

或

v(t_0→1)：＝[s(t₁)-s(t₀)]/Δt                    (8)

v(t_1→2)_estimated：＝v(t_0→1)+a(t₁)×Δt         (9)

s(t₂)_estimated：＝s(t₁)+v(t_1→2)e_stimated×Δt   (10)

s(t₂)：＝s(t₂)_deviation+s(t₂)_estimated           (14)

在式(6)～(14)中相关符号的含义：

(1)fractum(x)＝x-round(x)，round(x)为最接近x的整数；

(2)“：＝”将表达式赋值给变量；

(3)a(t_i)代表加速度序列。

由以上一系列公式可得到位移序列s(t₁)、s(t₂)、......s(t_n)，再通过微分得到速度序列v(t₁)、v(t₂)、......v(t_n)。然后将速度序列v(t_i)展开后得到sine和cosine的N+1个线性方程组：

v(t_i)＝Acosωt_i-Bsinωt_i+C   i＝0，1，2，......N(采样点数)  (15)

式(15)中，

C为常数。

根据激光干涉仪130提供的两路正交信号，即离散的数据，并利用最小二乘法对(15)式进行正弦逼近法求解，可求得唯一的A、B、C值，并可求得速度序列的幅值

和速度的初相位

：

$\hat{v}=\sqrt{A^2+B^2}---\left(16\right)$

由此求到加速度幅值

及相位

：

可选地，在求解式(15)之前，需首先确定两路光电信号的幅值误差和相对于90°名义相位的相位误差，并采用正交误差修正技术(Heydemann修正)对光电信号进行补偿。

同理，可以由同步采集的被测低频或超低频振动计量器具150的输出信号的N+1个采样序列{u(t_i)}组成N+1个(19)式的线性方程组，并用正弦逼近法解出A_u和B_u的值。

u(t_i)＝A_ucosωt_i-B_usinωt_i+C_u    (19)

式中，

C_u为常数。

由A_u和B_u算出加速度计输出信号的幅值

和初相位

：

$\hat{u}=\sqrt{{A_u}^2+{B_u}^2}$

根据利用激光干涉仪所获得的振动台加速度幅值

和初相位

，以及被测低频或超低频振动计量器具150输出信号的幅值

和初相位

，得出给定频率下的被测低频或超低频振动计量器具150的幅值灵敏度

和相移

：

${\hat{S}}_a=\frac{\hat{u}}{\hat{a}},$

上面给出了在数据采集和处理装置140中利用正弦逼近法来对被测低频或超低频振动计量器具150进行校准的基本原理。

应当注意的是，在超低频信号的情况下，由于振动的周期非常长，因此需要长时间的信号采集，即上面的式(15)和(19)所要求解的方程组包含了大量的方程，即N的数目非常之多，以至于利用现有的最小二乘法等方式求解矩阵方程需要耗费太多的运算存储空间而导致不能进行正弦逼近，例如对于超低频0.002Hz，如果采集4个振动周期长，则需要大约35分钟的时间，如果一秒钟采集数据100次，则N的数目大约为210000个。

为了对大型的矩阵方程进行求解，根据本发明的一个实施例，数据采集和处理装置140进行了专门的设计，图5示意性地示出了根据本发明一个实施例的数据采集和处理装置150的框图。如图5所示，数据采集和处理装置150包括数据采集部件510、数据分解部件520、子模块运算部件530、余数运算部件540、合并运算部件550和结果输出部件560。数据采集部件510采集来自激光干涉仪130的两路正交信号和来自被测低频或超低频振动计量器具150的输出信号以产生要处理的数据。数据分解部件520根据预定的数据处理量，即子模块运算部件530一次可以处理的数据量来对要处理的数据进行分割以生成多个可以被子模块运算部件530一次处理的子数据以及剩余数据。子模块运算部件530接收由数据分解部件520分割而产生的多个子数据，并进行相应的矩阵运算处理以产生相应的子结果。余数运算部件540接收数据分解部件520进行数据分割后剩余的数据并进行相应的矩阵运算处理以产生余数子结果。合并运算部件550接收子模块运算部件530进行矩阵运算而产生的多个子结果以及余数运算部件540对剩余数据进行矩阵运算而产生的余数子结果，对这些子结果进行合并处理以产生最后的处理结果，并且由结果输出部件560输出由合并运算部件550合并产生的处理结果。

数据采集和处理装置140通过将待处理的数据划分为预定大小的子数据来分别进行处理，从而减少了每次处理数据所需要的存储量，因此解决了现有的数据处理中需要太大存储空间的问题。

另外，通过数据分解，还可以通过由多个子模块运算部件530来并行地对多个子数据进行计算，从而可以提高数据采集和处理装置140的处理性能。

根据本发明的超低频振动计量器具校准系统在测量频率0.002Hz～160Hz、动态测量光程大于1m的低频和超低频振动范围内实现了振动加速度、速度和位移灵敏度幅值和相移激光绝对法的准确测量。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明中的数据采集和处理装置140可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (7)

1.一种适于在超低频振动计量器具校准系统中使用的激光干涉仪，所述超低频振动计量器具校准系统还包括用于产生频率范围在0.002Hz～160Hz之间的低频或超低频振动的振动台，该激光干涉仪包括：

平面反射镜，其中所述激光干涉仪发射到所述振动台上的测量光由所述平面反射镜进行反射；

沃拉斯顿棱镜，适于产生两路正交的干涉光；以及

两个光电接收-放大器，用于分别对所述干涉光进行光电转换以产生电信号，其中所述两个光电接收-放大器中的每个均包括：

光电倍增管，用于对入射到所述光电倍增管的光信号进行光电转换；

跟随电路，对所述光电倍增管产生的电信号进行扩流；

零偏置电路，对所述扩流后的电信号进行偏置调零；以及

放大电路，用于对所述扩流且经过偏置调零后的电信号进行放大。

2.如权利要求1所述的激光干涉仪，其中所述激光干涉仪还具有参考光路，而且所述参考光路包括：

多个反射镜，所述多个反射镜固定在所述参考光路的镜架上，并且根据与所述镜架底座的距离而分为多个反射镜组，

其中每个反射镜组包括多个反射镜，每个反射镜组中的一个反射镜将光反射到其他反射镜组中。

3.如权利要求2所述的激光干涉仪，其中所述反射镜组为两个。

4.如权利要求1-3中的任一个所述的激光干涉仪，其中所述激光干涉仪采用参考光和测量光等光程设计。

5.一种超低频振动计量器具校准系统，包括如权利要求1-6中的任一个所述的激光干涉仪。

6.如权利要求5所述的超低频振动计量器具校准系统，还包括：

振动台，用于产生频率范围在0.002Hz～160Hz之间的低频或超低频振动，而且被测低频或超低频振动计量器具安装在所述振动台上以感测所产生的低频或超低频振动；

角锥棱镜，安装在所述振动台上，将由所述激光干涉仪所产生的测 量光反射到所述平面反射镜上，并将来自所述平面反射镜的反射光反射回所述激光干涉仪；以及

数据采集和处理装置，接收由所述激光干涉仪产生的两路相互正交的电信号以及由所述被测低频或超低频振动计量器具产生的感测信号，根据所述电信号和所述感测信号生成所述被测低频或超低频振动计量器具在所述低频或超低频频率下的感测灵敏度。

7.如权利要求6所述的低频或超低频振动计量器具校准系统，其中所述数据采集和处理装置包括：

数据采集部件，采集由所述激光干涉仪产生的两路相互正交的电信号以及由所述被测低频或超低频振动计量器具产生的感测信号以产生要处理的数据；

数据分解部件，对所述要处理的数据进行分割以生成多个可以被子模块运算部件一次处理的子数据以及剩余数据；

所述子模块运算部件，接收所述多个子数据，并进行相应的矩阵运算处理以产生相应的子结果；

余数运算部件，接收所述剩余数据并进行相应的矩阵运算处理以产生余数子结果；

合并运算部件，接收所述子结果以及所述余数子结果，对所述子结果以及所述余数子结果进行合并处理以产生最后的处理结果；以及

结果输出部件，输出所述最后的处理结果。 

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