CN103134431A - 一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器 - Google Patents

一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于迈克尔逊光纤干涉仪的垂直振动位移检测系统，包括迈克尔逊光纤干涉仪和振动传感头。本发明系统设计独特，采用简单的结构可以有效的检测高频的垂直振动位移，具有精度高、响应快及动态范围大等优点。

Description

一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器
技术领域
本发明提供了一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器。
背景技术
由于抗电磁干扰、高精度、高灵敏度等优点，光纤传感器越来越广泛地应用于各种物理量的测量，如温度、应力、磁场、方位、振动等。而基于迈克尔逊光纤干涉仪的传感器主要应用于振动、流量及水平位移的测量，这里提出了一种基于迈克尔逊光纤干涉仪的垂直振动位移检测系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器。
为了实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器，其特征在于：包括激光器、与激光器连接的耦合器、与耦合器连接的迈克尔逊干涉臂光纤，所述迈克尔逊干涉臂光纤包括参考臂和信号臂，所述参考臂末端设置有反光镜，所述的反光镜可以为镜面反射镜或漫反射，所述信号臂末端设置有对迈克尔逊干涉臂光纤的输出光进行准直的准直镜，还包括弹簧、质量块，所述弹簧将质量块支撑在封装外壳上，所述质量块上端面上镀膜形成反光镜，所述信号臂的光进入准直镜在反光镜上产生反射，反射光耦合到信号臂并进入耦合器，与参考臂信号发生干涉，还设有探测器检测输出干涉信号，当平台T在垂直方向产生位移，迈克尔逊光纤干涉仪整体发生位移，由于质量块的惯性，在迈克尔逊干涉仪整体移动时，质量块保持相对静止，使得反光镜与扩束镜发生相对位移，从而将平台的位移经弹簧传递给质量块m，使反光镜与扩束镜在垂直方向产生与平台位移等量的相对位移，信号臂以参考臂光程差发生变化，探测器对信号进行检测，得到平台垂直方向的振动位移量。
但是系统所能检测的振动的位移量和频率响应范围取决于系统中传感头的设计，传感头的固有频率正如下面的计算可以得到，在针对不同的测量参量是，需要对传感头的参数进行详细设计计算，以满足测量参量的变化范围。
因为本发明采用以上技术方案，所以具备以下有益效果：
一、采用振动传感头，将平台的垂直位移有效地转化为了传感头中的质量块与扩束镜的相对位移，从而推动反射镜产生相位差。
二、采用基于迈克尔逊光纤干涉仪系统为主题，具有精度高、响应快及动态范围大等优点。
三、系统结构设计简单，易于操作，容易实现系统性能提高的相关改进。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为传感头结构图；
图中M为准直镜，M2、M1为反光镜、K为弹簧、m为质量块。
具体实施方式
本发明采用一般基于迈克尔逊干涉仪的刚性的设计，那么在平台产生位移或震动时，系统的信号臂与参考臂都会随之发生位移或震动，这样参考臂就失去其存在的意义而无法进行相干测量。要确保参考臂相对静止，并且要将平台的位移传递给信号臂，采用了上图的设计方案，传感头设计如下如图2所示：
传感头中，M1、M及k都固定在传感头外壳上，质量块m通过弹簧k连接支撑，当传感头发生垂直位移，由于质量块的惯性，M2与M产生相对位移，相对位移的变化，改变了信号光的相位，承载了相位信息的光信号通过信号臂到达耦合器，再通过探测器得到位移量。整个系统的动态范围和能够检测的位移范围取决于传感头的设计，而传感头的设计核心是由质量块和弹簧组成的谐振子，所以传感头中质量块与弹簧的选择十分重要，假设质量块质量为m、位移为x，弹簧弹性系数为k，则由动力学得到：
求解可得质量块作简谐振动，其固有频率为：
Figure 582195DEST_PATH_IMAGE003
由上式可知传感头的固有频率与质量块的开方成反比，与弹簧的弹性系数开方成正比，系统测量的是M与M2的相对位移，如果要测量的振动位移频率较低，则设计中要求传感头的谐振频率尽量小些，采用质量大的质量块和弹性系数小的弹簧；如果要测量的振动位移频率较高，则设计中要求传感头的谐振频率尽量大些，采用质量小的质量块和弹性系数大的弹簧。如果系统是在平台振动下做受迫振动，而系统只在意相对位移，也不会影响到振动位移的测量。
   经过耦合器到达参考臂与信号臂的光强为I0，则反射后到达探测器的信号为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中η为M1、M2的反射率，Δφ为两臂的相位差，Δφ=2k0nΔL，空气中n=1，ΔL即为M与M2的相对位移。探测器检测到的信号波形。
通过探测器波形变化，即可以得到平台的位移量信息。而系统是基于迈克尔逊光纤干涉仪，其精度可以达到纳米级，完全能够满足一般位移测量要求。

Claims (2)

1.一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器，其特征在于：包括激光器、与激光器连接的耦合器、与耦合器连接的迈克尔逊干涉臂光纤，所述迈克尔逊干涉臂光纤包括参考臂和信号臂，所述参考臂末端设置有反光镜，所述信号臂末端设置有对迈克尔逊干涉臂光纤的输出光进行准直的准直镜，还包括弹簧、质量块，所述弹簧将质量块支撑在封装壳上，所述质量块上端面上镀膜形成反光镜，所述信号臂的光进入准直镜在反光镜上产生反射，反射光耦合到信号臂并进入耦合器，与参考臂信号发生干涉，还设有探测器检测输出干涉信号，当平台T在垂直方向产生位移，迈克尔逊光纤干涉仪整体发生位移，由于质量块的惯性，在迈克尔逊干涉仪整体移动时，质量块保持相对静止，使得反光镜与扩束镜发生相对位移，从而将平台的位移经弹簧传递给质量块，使反光镜与扩束镜在垂直方向产生与平台位移等量的相对位移，信号臂以参考臂光程差发生变化，探测器对信号进行检测，得到平台垂直方向的振动位移量。
2.根据权利要求1所述的一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器，其特征在于：所述的反光镜为镜面反射镜或漫反射。
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