CN102680073A - 一种新型光纤测振仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光纤测振仪器，包括壳体，壳体的内侧面上、与之垂直地固定一末端带有方形质量块的悬臂梁，质量块的上表面设有高斯反射面；壳体上、且位于方形质量块的正上方设有一光纤准直系统和对称分布于光纤准直系统的两路光信号接收装置；悬臂梁静止时，光纤准直系统的出射光垂直入射到高斯反射面，此时，光纤准直系统出射光方向及两路光信号接收装置受光面的垂线方向的延长线相交于高斯反射面上的O点；外界被测物体持续振动带动悬臂梁末端质量块摆动，从而使两路光信号接收装置接收到来自高斯反射面的反射光信号量发生变化，光信号量的变化反应了被测物体的振动情况。本发明具有精度高、性能可靠，并且成本低、易于实现的特点。

Description

一种新型光纤测振仪器

技术领域

本发明涉及一种光学仪器，尤其涉及一种精度高、性能稳定的光学仪器，主要应用于环境振动测量、大型设备振动测量等领域，通过本仪器可以测量出物体振动的频率和幅度。

背景技术

在日常生活和工程实践中，普遍存在着振动现象，需要用传感器或仪器设备对其进行监测，如监测汽车发动机的振动、造纸厂机电设备引起的结构共振、发电机的高频振动等转动机械，监测炼钢厂煤干燥机振动、地铁运行引起的振动等对环境厂房结构的影响等。

传统的振动测试仪器一般采用电学量传感器，如压电式、磁电式，传感信号通过电信号进行传输，信号在传输的过程中容易受到电磁的干扰，这在测量微小信号时是一大障碍，而且电信号传输损耗大，不能进行长距离传输，不易形成传感网络。因此需要新型的传感方式来解决这些问题。

众所周知，光纤传感器是解决这一问题的最佳方式之一，光纤容易感应外界环境的影响，如温度、振动、压力等，从而导致传输光的强度、相位、波长、偏振态等发生变化，通过测量这些量的变化来监测外界环境的变化。强度型光纤传感仪器是光纤传感器的一种，与其它种类的传感器相比，如干涉型光纤传感器、光栅传感器等，强度型光纤传感仪器有着独特的加工简单、成本低、技术成熟、信号解调设备简单等易于实现的优点，同时强度型光纤传感仪器也具有光纤传感器所共有的抗电磁干扰、绝缘性好、体积小、重量轻等适用性好的优点。

中国专利200410066814.1提出了一种基于光纤光栅的微振动传感器，利用悬浮布拉格光纤光栅与被测物的共振对被测物体的振动振幅进行放大，对光的波长进行调制，通过检测光纤光栅波长的漂移来检测外界物体的振动。由于传感原理采用的是共振原理，因此，此传感器只能检测出某一特定频率的振动，从而就降低了传感器的适用范围，而且由于悬浮布拉格光纤光栅没有加阻尼器，传感器的共振对仪器的稳定性存在一定的威胁。中国专利200720021749.X、201120077026.8、201110005695.9也提出了基于光纤光栅的振动传感器，虽然光纤光栅传感器先天具有传感精度高的优点，但是要实现起来比较困难，由于光纤光栅对环境极其敏感，能同时对振动、温度、压力等同时传感，因此降低了有用信号的信噪比，要从众多的传感信号中分检出对振动敏感的信号需要复杂的设备，而且光栅反射波长会随着温度的变化而变化，专利中并没有温度补偿装置，测量结果会随着温度的不同而发生漂移，造成测量结果产生误差。同时要检测出光纤光栅波长的微小偏移需要高性能的光谱仪或者单色仪，这势必会增加整个传感系统的造价，降低其实用性。由于光纤光栅是以光栅波长漂移来感知外界物理参量的变化，要提高传感器的分辨率就必须压窄反射线宽，因而必须采用宽带大功率光源，才能提高系统的信噪比，实现可靠的信号检测，这无疑再一次增加传感系统的成本，降低其实用性。

中国专利201110287001.5利用干涉法原理，提出了一种大动态光纤振动传感器，它利用高灵敏度干涉仪、低灵敏度干涉仪两套干涉仪来对外界的振动进行检测，通过判断传感信号解调结果是否失真来决定使用高灵敏度干涉仪还是低灵敏度干涉仪。专利201010271187.0也提出了基于干涉法的光纤振动传感器。由于采用的是干涉法设计的传感器，使得该种类型传感器不适用于传感的分布式测量。干涉法测量本身需要大量的解调设备，使得仪器复杂成本高，而且此专利中使用了两套干涉仪设备，使得传感系统的成本将进一步提高。

中国专利03114834.4提出了一种强度调制型光纤振动传感器，该传感结构主要由两部分构成，一部分为入射光纤，用做传感悬臂梁使用；另一部分为光纤束接收器，光纤束连接到图像转换器。当外界振动时，光纤悬臂梁随着振动，悬臂梁光纤末端的出射光束就在光纤束上来回扫描，最后由图像转换器所接收，通过图像转换器的扫描轨迹来识别外界的振动。虽然，该传感器结构较为简单，实现起来也比较容易，而且成本也低。但光纤悬臂梁在高频振动时，由于存在较强的非线性，因此限制了此种传感器的传感范围，

综上所述，强度型光纤传感仪器有着这些易于实现、成本低、适用性好的优点，因此有必要也很有价值去设计提高强度型光纤传感仪器传感性能的传感仪器，如传感精度、线性度等。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种新型光纤测振仪器，用于测定物体的振动，具有精度高、性能可靠，并且成本低、易于实现的特点。

为了解决上述技术问题，本发明一种新型光纤测振仪器予以实现的技术方案是：包括壳体，所述壳体的内侧面上、与之垂直地固定一悬臂梁，所述悬臂梁的末端固定一方形质量块，所述方形质量块的上表面设有高斯反射面；所述壳体上、且位于所述方形质量块的正上方设有两路光信号接收装置和一光纤准直系统，两路光信号接收装置对称分布与所述光纤准直系统的两侧；

当壳体静止时，悬臂梁静止，所述光纤准直系统的出射光垂直入射到所述高斯反射面，此时，所述光纤准直系统出射光方向及两路光信号接收装置受光面的垂线方向的延长线相交于所述高斯反射面上的O点；

当壳体振动，悬臂梁发生弯曲，此刻，所述高斯反射面倾斜，入射到所述高斯反射面的光反射进入两路光信号接收装置；

当壳体持续振动，悬臂梁末端上的方形质量块上、下摆动，入射到所述高斯反射面的反射光束在两路光信号接收装置之间来回摆动，从而两路光信号接收装置接收到的光信号量会随着发生变化，根据光信号量的变化得出壳体的振动情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明光纤测振仪器具备结构简单紧凑、抗电磁干扰、精度高、性能稳定可靠的优点。可用于环境振动测量、大型设备振动测量等技术领域，如大型发电机频率及振幅的监测、汽车发动机振幅的监测、炼钢厂煤干燥机振动对厂房结构的影响、地铁运行引起的振动对周围环境的影响等。因此，本发明提出的光纤测振仪器市场前景好，具有良好的技术转化基础和广泛的社会效益。

附图说明

附图为本发明一种新型光纤测振仪器实施例的结构示意图。

图中:

1-壳体          2-壳体内侧面           3-悬臂梁

4-方形质量块    5、6-光信号接收装置    7-光纤准直系统

8-高斯反射面    9-受光面

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如附图所示，本发明一种新型光纤测振仪器，包括壳体，所述壳体形成封闭的内腔，用以保持光路的结构稳定，避免外界环境对内部结构可能造成的影响，所述壳体的内侧面上固定一悬臂梁3，所述悬臂梁3与壳体的内侧面垂直，所述悬臂梁3的末端固定一方形质量块4，所述方形质量块4的上表面设有高斯反射面8（可以采取将方形质量块4的上表面打磨成高斯反射面或者贴有高斯反射镜）；所述壳体上、且位于所述方形质量块4的正上方设有两路光信号接收装置5、6和一光纤准直系统7，两路光信号接收装置5、6对称分布与所述光纤准直系统7的两侧；所述光信号接收装置是大芯径光纤、微光学系统和探测器中的一种，所述两路光信号接收装置的受光面9均镀有增透膜，其通光孔径和光纤准直系统出射光束的大小一致；所述光纤准直系统为微光学准直系统，如所述光纤准直系统可以是光纤准直器；当选用大芯径光纤作为光信号接收装置，同时选用光纤准直器时，所述大芯径光纤的端面经光学研磨成平面，并镀有增透膜，所述大芯径光纤的芯径和光纤准直器的出射光束大小一致。

当被测物体静止（也即与被测物体连接的壳体静止）时，悬臂梁3静止，所述光纤准直系统7的出射光垂直入射到所述高斯反射面8，此时，所述光纤准直系统7出射光方向及两路光信号接收装置受光面的垂线方向的延长线相交于所述高斯反射面8上的O点；如附图所示，两路光信号接收装置的受光面9的中心与光纤准直系统7的出射端的中心间隔为D，这样可以保证两路光信号接收装置总是能接收到反射光信号。通过光纤准直系统7入射到位于方形质量块4上表面的高斯反射面8的光束，其反射类型为高斯反射，因此反射光束的强度在反射方向的横向方向上，其强度按高斯分布递减，D为其强度递减至反射光束中心强度1/e时光束的宽度。由于反射光束较宽，从而也增大了测量的动态范围。

当被测物体振动（也即与被测物体连接的壳体振动），悬臂梁3发生弯曲，此刻，所述高斯反射面8倾斜，入射到所述高斯反射面8的光反射进入两路光信号接收装置；

当被测物体持续振动（也即壳体持续振动），会导致悬臂梁3末端上的方形质量块上、下摆动，入射到位于所述方形质量块上表面的高斯反射面8的反射光束在两路光信号接收装置之间来回摆动，从而两路光信号接收装置接收到的光信号量会随着发生变化，光信号量的变化反映出外界的振动情况，最后通过光信号检测处理电路来处理两路光信号接收装置接收到的光信号，因此，根据光信号量的变化可以得出被测物体（也即壳体）的振动情况。另外，两路光信号通过后续的信号处理，可以消除光强易受光源和外界环境干扰的影响，降低接收系统的测量误差，提高测试精度。

尽管上面结合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，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种新型光纤测振仪器，包括壳体，其特征在于，所述壳体内侧面上、与之垂直地固定一悬臂梁（3），所述悬臂梁（3）的末端固定一方形质量块（4），所述方形质量块（4）的上表面设有高斯反射面（8）；所述壳体上、且位于所述方形质量块（4）的正上方设有两路光信号接收装置（5、6）和一光纤准直系统（7），两路光信号接收装置（5、6）对称分布与所述光纤准直系统（7）的两侧；

当壳体静止时，悬臂梁（3）静止，所述光纤准直系统（7）的出射光垂直入射到所述高斯反射面（8），此时，所述光纤准直系统（7）出射光方向及两路光信号接收装置受光面的垂线方向的延长线相交于所述高斯反射面（8）上的O点；

当壳体振动，悬臂梁（3）发生弯曲，此刻，所述高斯反射面（8）倾斜，入射到所述高斯反射面（8）的光反射进入两路光信号接收装置；

当壳体持续振动，悬臂梁（3）末端上的方形质量块上、下摆动，入射到所述高斯反射面（8）的反射光束在两路光信号接收装置之间来回摆动，从而两路光信号接收装置接收到的光信号量会随着发生变化，根据光信号量的变化得出壳体的振动情况。

2.根据权利要求1所述新型光纤测振仪器，其特征在于，所述光信号接收装置是大芯径光纤、微光学系统和探测器中的一种。

3.根据权利要求1或2所述新型光纤测振仪器，其特征在于，所述光纤准直系统为微光学准直系统。

4.根据权利要求3所述新型光纤测振仪器，其特征在于，所述微光学准直系统是光纤准直器。

5.根据权利要求1所述新型光纤测振仪器，其特征在于，所述两路光信号接收装置的受光面均镀有增透膜，其通光孔径和光纤准直系统出射光束的大小一致。

6.根据权利要求3所述新型光纤测振仪器，其特征在于，所述大芯径光纤的端面经光学研磨成平面，并镀有增透膜，所述大芯径光纤的芯径和光纤准直器的出射光束大小一致。

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