CN110133323A - 一种反射式光纤加速度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射式光纤加速度测量装置，包括测量部分和信号处理部分，测量部分包括基座、壳体和设置在壳体内的测量机构，整体密封构成一个腔体，信号处理部分包括有准直光源、左探测器、右探测器、调理放大电路、驱动电路和微控制器。本发明采用光纤为敏感元件，以悬臂梁结构构建的反射式加速度传感装置，装置具有温度自补偿、灵敏度高、动态响应好、抗电磁干扰且对局部电磁环境非侵入的特性，应用于对力、速度、加速度、振动等的监测，特别适合于复杂和强电磁环境的应用。

Description

一种反射式光纤加速度测量装置
技术领域
本发明涉及技术为传感器测量设备领域，尤其涉及一种反射式光纤加速度测量装置。
背景技术
目前，加速度传感器是一种能够测量与加速度相关的力、位移等参数的传感器。传统加速度传感器由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成，传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式、以及近些年基于微机电技术的MEMS加速度传感器等。上述这些加速度传感器在使用中均存在容易受到测量环境周围空间电磁场的影响、信号线间的串扰和长信号地线电阻引起的干扰，导致所传输的振动信号发生畸变或失真。同时，加速度计的输出接头、电缆接头和电缆之间相互连接不当也会产生寄生谐波，叠加在振动信号中，从而影响检定准确度。此外，在一些需要同时精确检测电磁场参数的场合、对高压输配电设备的监测等，上述这些加速度传感器使用会造成对电磁环境的侵入式破坏、造成高压设备绝缘性能的下降等不良影响，以至于限制了传统传感器的使用。
光纤传感器在抗电磁干扰、不会产生电磁环境侵入式破坏、高灵敏度、小尺寸、重量轻、成本低，针对高温、腐蚀环境适应性等方面较一般传感器具有明显的优势，此外还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式测量的独特优势。光纤传感系统主要由光源、光纤传感器、信号解调等组成，光源为系统提供光能量，光纤传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。光纤传感系统的发展趋势是优化测量方法，光纤传感系统的优化主要从三方面考虑，即，光源、光纤传感器及信号解调。对于传感系统的优化，主要是根据传感器的数目、配置、传感器的灵敏度和解调系统的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感结构、传感器解调系统，使得成本低、测量误差小、测量精度高。因此，迫切需要一种结构合理、工艺简单、性能稳定可靠，能够实现对局部电磁环境非侵入、不影响高压设备的绝缘性能的光学加速度传感器产品，其应用与市场前景也必将广阔与潜力巨大。
发明内容
本发明的目的是提供一种反射式光纤加速度测量装置，能够实现复杂和强电磁环境下加速度的测量，且具有温度自补偿、灵敏度高、动态响应好的特征。
本发明采用的技术方案为：
一种反射式光纤加速度测量装置，其特征在于：包括测量部分和信号处理部分，测量部分包括基座、壳体和设置在壳体内的测量机构，整体密封构成一个腔体，信号处理部分包括有准直光源、左探测器、右探测器、调理放大电路、驱动电路和微控制器；
所述的测量机构包括有传输光纤、左悬臂梁、左质量块、固定反射镜、左悬臂光纤、左耦合器、中间耦合器、右耦合器、右悬臂光纤、随动反射镜、右质量块和右悬臂梁，腔体的底部分别设置有用于安装左、中间、右光纤接口的过孔；所述腔体底面中间设置有立柱，左悬臂梁和右悬臂梁分别对称的设置在立柱顶端两侧，左、右质量块分别固定设置在左悬臂梁和右悬臂梁自由端端部；
左悬臂光纤的自由端端部设置有扩束器，固定反射镜固定设置在与扩束器相对的壳体内壁上；左悬臂光纤黏贴设置在左悬臂梁上端面，且另一端与左耦合器的左接口连接，左耦合器的下行口通过光纤与左光纤接口连接，左耦合器的右接口通过光纤与中间耦合器的左口连接，左光纤接口通过光纤与左探测器连接；
右悬臂光纤的自由端设置有随动反射镜，所述的右悬臂光纤黏贴设置在右悬臂梁上端面，且另一端与右耦合器的右接口连接，右耦合器的下行口通过光纤与右光纤接口连接，右耦合器的左接口通过光纤与中间耦合器的右接口连接，右光纤接口通过光纤与右探测器连接；
中间耦合器的下行接口通过光纤与中间光纤接口连接，中间光纤接口通过光纤与准直光源连接；所述的左、右探测器分别通过调理放大电路与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端通过驱动电路与准直光源连接。
所有测量部分中的材料、器件和连接固定工艺均不含金属和导磁成分材料。
弹性臂为长方形薄板结构，采用乙缩醛共聚物构成的悬臂梁。
所述准直光源发射的光强度被中间耦合器均匀的分光导入左悬臂光纤和右悬臂光纤，经由固定反射镜和随动反射镜反射后按照各自的路径再次经由耦合器分别导向左探测器PD1和右探测器PD2。
测量时，左悬臂光纤接收固定反射镜的反射光强度发生变化，变化大小与加速度成正比，用于加速度参数测量；右悬臂光纤接收随动反射镜的反射光强度保持不变，该光强度信号作为光源出射光强度的实时修正系数，用于消除光源不稳定带来的测量误差。
还包括有保护固定套，所述的固定套分别用于固定和保证扩束器与左悬臂光纤同轴设置以及固定和保证随动反射镜中心与右悬臂光纤同轴。
所述的固定反射镜为长方形，所述的随动反射镜圆形，且圆形端面半径不小于右悬臂光纤端面的半径。
所述的光纤接口为插拔式光纤接口，固定于基座底部，一端固定连接传输光纤，另一端通过插拔结构与外部测量传导光纤连接。
所述的基座底部开设有用于与被测振动体连接的螺纹孔。
基于如上所述一种反射式光纤加速度测量装置的使用方法：所述测量被测体加速度的步骤包括：
A.利用标准光源对系统进行标定，获取光源稳定度实时修正，实现参比测量；
B.通过测量通道和补偿通道的对比测量，获取悬臂对应振动加速度的应变值；
C.根据应变量计算得到质量块所受的作用力，进而得到质量块的相对加速度；
D.根据质量块相对加速度与被测体加速度的对应关系计算得到被测体加速度值。
本发明采用光纤为敏感元件，以悬臂梁结构构建的反射式加速度传感装置，装置具有温度自补偿、灵敏度高、动态响应好、抗电磁干扰且对局部电磁环境非侵入的特性，应用于对力、速度、加速度、振动等的监测，特别适合于复杂和强电磁环境的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明所述左悬臂光纤自由端结构示意图；
图3为本发明所述右悬臂光纤自由端结构示意图；
图4为本发明所述左、右悬臂梁的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2和3所示，本发明包括测量部分和信号处理部分，测量部分包括基座1、壳体5和设置在壳体5内的测量机构，三者整体密封构成一个腔体，信号处理部分包括有准直光源18、左探测器19、右探测器16和测控电路17，所述的测控电路17包括有调理放大电路、驱动电路和微控制器；
测量机构包括有传输光纤、左悬臂梁3、左质量块4、固定反射镜6、左悬臂光纤8、左耦合器、中间耦合器、右耦合器、右悬臂光纤10、随动反射镜11、右质量块12和右悬臂梁13，腔体的底部分别设置有用于安装左、中间、右光纤接口的过孔，由于光纤接口均为相同部件且并无结构以及功能的区别，所以图中均采用光纤接口14表示；所述腔体底面中间设置有立柱，左悬臂梁3和右悬臂梁13分别对称的设置在立柱顶端两侧，左、右质量块分别固定设置在左悬臂梁3和右悬臂梁13自由端端部；由于耦合器为现有公知产品，本发明采用的为三口耦合器，而且由于耦合器本身的每个端口均可以进出的特性，所以其端口之间并无区别，不需要强调其具体为哪个端口，端口的功能均相同，所以在图中均采用一个部件耦合器9对其进行概述。
左悬臂光纤8的自由端端部设置有扩束器7，固定反射镜6固定设置在与扩束器7相对的壳体5内壁上；左悬臂光纤8黏贴设置在左悬臂梁3上端面，且左悬臂光纤8的另一端与左耦合器的左接口连接，左耦合器的下行口通过光纤与左光纤接口连接，左耦合器的右接口通过光纤与中间耦合器的左口连接，左光纤接口通过光纤与左探测器连接；
右悬臂光纤10的自由端设置有随动反射镜11，所述的右悬臂光纤10黏贴设置在右悬臂梁13上端面，且另一端与右耦合器的右接口连接，右耦合器的下行口通过光纤与右光纤接口连接，右耦合器的左接口通过光纤与中间耦合器的右接口连接，右光纤接口通过光纤与右探测器连接；
中间耦合器的下行接口通过光纤15与中间光纤接口连接，中间光纤接口通过光纤15与准直光源18连接；所述的左、右探测器分别通过调理放大电路与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端通过驱动电路与准直光源连接。
所有材料、器件和连接固定工艺均不含金属和导磁成分材料，以左右对称悬臂梁结构模型为基础，以光纤、耦合器、扩束器和固定反射镜构成左边的固定反射镜光路，以光纤、耦合器和随动反射镜构成右边的随动反射镜光路，通过左、右光路的对比测量实现被测体振动加速度的检测。
首先要对装置进行标定，设标准光源的发光强度为I标准，装置在静止状态下探测器PD1和探测器PD2所接收的反射光强分别为I左和I右，调整通道放大倍数等系统相关参数，使左、右光路对称并记录该光强参数为I，即I左＝I右＝I。
实际测量时，右光路对应的接收器PD2采集的光强I2对应于实时光源的发光强度，为了消除光源不稳定的影响，应该把实际测量时光源的发光强度修正为由于左侧固定反射镜反射回来的光强与本侧悬臂自由端的挠曲变形成反比，而右侧随动反射镜反射回来的光强与本侧悬臂自由端的挠曲变形无关(只取决于光源强度)，所以根据实测的I1和I2通过对比计算可得到一系列参数，如悬臂梁应变、质量块受力、质量块相对加速度等，最后根据质量块相对加速度与被测体加速度的对应关系，计算或查表即可获得被测体的加速度a。
左右对称悬臂梁结构是以基座垂直立柱为支撑，采用乙缩醛共聚物高强度材料作为悬臂梁的弹性臂，弹性臂为长方形薄板结构，采用乙缩醛共聚物构成的悬臂梁，固定端与基座立柱粘接固定，自由端粘接固定有惯性质量，左右悬臂梁结构对称、材质相同。
所述准直光源发射的光强度被中间耦合器均匀的分光导入左悬臂光纤和右悬臂光纤，经由固定反射镜和随动反射镜反射后按照各自的路径再次经由耦合器分别导向左探测器PD1和右探测器PD2。
测量时，左悬臂光纤接收固定反射镜的反射光强度发生变化，变化大小与加速度成正比，用于加速度参数测量；右悬臂光纤接收随动反射镜的反射光强度保持不变，该光强度信号作为光源出射光强度的实时修正系数，用于消除光源不稳定带来的测量误差。
所述的探测器PD1接收测量通道的光束并转换成电压信号，经调理电路、放大电路后，输入微控制器系统进行转换、处理；探测器PD2接收修正通道的光束并转换成电压信号，经调理电路、放大电路后，输入微控制器系统进行转换、处理。
还包括有保护固定套，左端设置左保护套22，右边设置有右保护套23。所述的左悬臂光纤粘接固定于左悬臂梁表面，光纤左端面安装有扩束器，扩束器与左悬臂光纤同轴且由保护固定套固定，扩束器外端面平行于固定反射镜，固定反射镜安装在壳体上，固定反射镜为长方形且中心与左悬臂光纤同轴；右悬臂光纤粘接固定于右悬臂梁表面，光纤右端面安装固定有随动反射镜且由保护固定套固定，随动反射镜为略大于光纤端面的圆形且与右悬臂光纤同轴。
所述的光纤接口14为插拔式光纤接口，固定于基座1底部，一端固定连接传输光纤15，另一端通过插拔结构与外部测量传导光纤连接。
所述的基座1纵向开有三个过孔，用于安装光纤接口14、传输光纤15和耦合器9，基座1底部开设有螺纹孔用于与被测振动体连接(图中未示出)。
本发明在工作时，准直光源18经由受控于微控制器系统的驱动电路驱动发射照射光束，发射的光束经外部测量传导光纤之一15(图1中间位置测量传导光纤)后，再经由光纤接口之一14(图1中间位置光纤接口)、传输光纤之一2(图1中间位置传输光纤)、耦合器之一9(图1中间位置耦合器)分成两路导入左悬臂光纤8和右悬臂光纤10，左悬臂光纤的照射光经过耦合器之一(图1左边位置耦合器)后经扩束器7出射并照射于固定反射镜6，固定反射镜的反射光再由扩束器和左悬臂光纤接收并经由耦合器之一(图1左边位置耦合器)、传输光纤之一(图1左边位置传输光纤)、光纤接口之一(图1左边位置光纤接口)、测量传导光纤之一(图1左边位置测量传导光纤)后，照射于探测器PD1(图1左边位置探测器)19；右悬臂光纤的照射光经过耦合器之一(图1右边位置耦合器)后出射并照射于随动反射镜11，随动反射镜的反射光再由右悬臂光纤接收并经由耦合器之一(图1右边位置耦合器)、传输光纤之一(图1右边位置传输光纤)、光纤接口之一(图1右边位置光纤接口)、测量传导光纤之一(图1右边位置测量传导光纤)后，照射于探测器PD2(图1右边位置探测器)16。
所述的探测器PD1接收测量通道的光束并转换成电压信号，经调理电路、放大电路后(图1左侧位置调理放大模块)，输入微控制器系统进行转换、处理；探测器PD2接收修正通道的光束并转换成电流信号，经调理电路、放大电路后(图1右侧位置调理放大模块)，输入微控制器系统进行转换、处理。
如图1所示，所述的左悬臂梁3和右悬臂梁13采用乙缩醛共聚物材料，呈长方形薄片结构，一端粘接固定于基座1的立柱两侧，另一端带有惯性左质量块4和惯性右质量块12，质量分别为m1、m2，俩质量块形状、大小相同，且m1＝m2，左悬臂梁与右悬臂梁长、宽、厚均相等，左右悬臂梁构呈对称结构。
所述的固定反射镜和随动反射镜均采用非金属介质反射膜制作而成，非金属介质反射膜可采用纳米二氧化钛膜或者纳米二氧化硅膜等材料，或采用陶瓷材料制作的反射镜。
如图1所示，光源发射的照射光束经由测量传导光纤和光纤接口导入测量装置，经由传输光纤和耦合器后分为左、右两路光束，分别作用于左边的固定反射镜光路和右边的随动反射镜光路。
左光束经由耦合器、左悬臂光纤、扩束器后照射固定反射镜，固定反射镜的反射光束经由扩束器、左悬臂光纤、耦合器、传输光纤、光纤接口导出装置，经测量传导光纤后由探测器PD1接收；右光束经由耦合器、右悬臂光纤后照射随动反射镜，随动反射镜的反射光束经由右悬臂光纤、耦合器、传输光纤、光纤接口导出装置，经测量传导光纤后由探测器PD2接收。
测量时，左右悬臂梁质量块向被测体加速度a的反方向运动，使得左右悬臂梁发生弯曲变形，变形大小与加速度a成正比，可以通过测量悬臂梁的变形量而获得加速度值。由于左右悬臂梁为对称结构，所以左光路经固定反射镜反射后导出并由探测器PD1接收的光强随加速度的增大而减小，而右光路经随动反射镜反射后导出并由探测器PD2接收的光强不随加速度变化而变化，通过计算可以获得对应的加速度a。
如图4所示，所述乙缩醛共聚物悬臂左右对称，基本结构尺寸如图4示意图，振动过程中质量靠受到力Fa的作用，该作用力可由下式计算：
Fa＝mam (2)
式中εx为对应Lx处的应变，am为质量块的相对加速度。根据惯性质量块的相对加速度与被测振动体加速度的对应关系计算或查表可得到被测振动体加速度。
本发明在使用时，具体测量被测体加速度的步骤包括：
A.利用标准光源对系统进行标定，获取光源稳定度实时修正，实现参比测量；
B.通过测量通道和补偿通道的对比测量，获取悬臂对应振动加速度的应变值；
C.根据应变量计算得到质量块所受的作用力，进而得到质量块的相对加速度；
D.根据质量块相对加速度与被测体加速度的对应关系计算得到被测体加速度值。
本发明实现对局部电磁环境的非侵入式加速度检测，不受光源发光强度波动影响，抗干扰能力强，特别不受电磁干扰，对使用环境无特殊要求的，动态响应好，测量精度高，体积小可便携，造价成本低。可广泛应用于运动参数测量，振动状态监控，在线检测等领域，特别适合于野外条件下稳定、快速、定量检测。
本发明具体制作时需要注意的参数具体如下：
(1)梁结构设计
①确定制作材料。弹性梁采用乙缩醛共聚物材料，如Celcon M90等材料，惯性质量块采用工程塑料。
②确定梁尺寸。采用长方形薄板结构，长(L)×宽(B)×厚(H)参数如表1所示。
③粘接工艺。采用环氧树脂粘接固化，具体型号为LEAFTOP/蓝田-9005。
表1梁结构尺寸参数
E/GPa L/mm B/m H/m m/g
230 50 10 1 40
(2)光纤设计
①确定制作材料。单模光纤，光纤涂覆层为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
②确定光栅参数。光纤光栅参数如表2所示。
表2光纤光栅参数
Product ID IL(db) RL(db)
HX2017-1202-025-4 ≦0.3 ≧55.0
本发明的测量部分作为一种集结构简单、工艺先进、材料宜得、成本低廉的抗电磁干扰的加速度传感装置，完全采用非金属、非磁性材料，以左右对称悬臂梁结构模型为基础，它由端部固定并带有惯性质量块m的双悬臂梁以及粘贴在梁表面的光纤、光纤耦合器、光纤接口、固定反射镜、随动反射镜、基座和壳体组成。
本发明使用时，根据被测振动体加速度的方向，将反射式光纤加速度测量装置固定在被测部位与被测振动体同步运动，光源发射的光强度被耦合器均匀的分光导入左悬臂光纤和右悬臂光纤，经由固定反射镜和随动反射镜反射后按照各自的路径再次经由耦合器分别导向探测器PD1和PD2。当被测振动体的加速度方向如图1中箭头a所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力Fa＝mam的作用，质量块向箭头a相反方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形。左悬臂光纤接收固定反射镜的反射光强度发生变化，变化大小与加速度成正比，用于加速度参数测量，即测量通道；右悬臂光纤接收随动反射镜的反射光强度保持不变，该光强度信号作为光源出射光强度的实时修正系数，用于消除光源不稳定带来的测量误差，即修正通道。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反射式光纤加速度测量装置，其特征在于：包括测量部分和信号处理部分，测量部分包括基座、壳体和设置在壳体内的测量机构，整体密封构成一个腔体，信号处理部分包括有准直光源、左探测器、右探测器、调理放大电路、驱动电路和微控制器；
所述的测量机构包括有传输光纤、左悬臂梁、左质量块、固定反射镜、左悬臂光纤、左耦合器、中间耦合器、右耦合器、右悬臂光纤、随动反射镜、右质量块和右悬臂梁，腔体的底部分别设置有用于安装左、中间、右光纤接口的过孔；所述腔体底面中间设置有立柱，左悬臂梁和右悬臂梁分别对称的设置在立柱顶端两侧，左、右质量块分别固定设置在左悬臂梁和右悬臂梁自由端端部；
左悬臂光纤的自由端端部设置有扩束器，固定反射镜固定设置在与扩束器相对的壳体内壁上；左悬臂光纤黏贴设置在左悬臂梁上端面，且另一端与左耦合器的左接口连接，左耦合器的下行口通过光纤与左光纤接口连接，左耦合器的右接口通过光纤与中间耦合器的左口连接，左光纤接口通过光纤与左探测器连接；
右悬臂光纤的自由端设置有随动反射镜，所述的右悬臂光纤黏贴设置在右悬臂梁上端面，且另一端与右耦合器的右接口连接，右耦合器的下行口通过光纤与右光纤接口连接，右耦合器的左接口通过光纤与中间耦合器的右接口连接，右光纤接口通过光纤与右探测器连接；
中间耦合器的下行接口通过光纤与中间光纤接口连接，中间光纤接口通过光纤与准直光源连接；所述的左、右探测器分别通过调理放大电路与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端通过驱动电路与准直光源连接。
2.根据权利要求1所述一种反射式光纤加速度测量装置，其特征是：所有测量部分中的材料、器件和连接固定工艺均不含金属和导磁成分材料。
3.根据权利要求1所述一种反射式光纤加速度测量装置，其特征是：弹性臂为长方形薄板结构，采用乙缩醛共聚物构成的悬臂梁。
4.根据权利要求1所述一种反射式光纤加速度测量装置，其特征是：所述准直光源发射的光强度被中间耦合器均匀的分光导入左悬臂光纤和右悬臂光纤，经由固定反射镜和随动反射镜反射后按照各自的路径再次经由耦合器分别导向左探测器和右探测器。
5.根据权利要求1所述一种反射式光纤加速度测量装置，其特征是：测量时，左悬臂光纤接收固定反射镜的反射光强度发生变化，变化大小与加速度成正比，用于加速度参数测量；右悬臂光纤接收随动反射镜的反射光强度保持不变，该光强度信号作为光源出射光强度的实时修正系数，用于消除光源不稳定带来的测量误差。
6.根据权利要求1所述一种反射式光纤加速度测量装置，其特征是：还包括有保护固定套，所述的固定套分别用于固定和保证扩束器与左悬臂光纤同轴设置以及固定和保证随动反射镜中心与右悬臂光纤同轴。
7.根据权利要求1所述一种反射式光纤加速度测量装置，其特征是：所述的固定反射镜为长方形，所述的随动反射镜圆形，且圆形端面半径不小于右悬臂光纤端面的半径。
8.根据权利要求1所述一种反射式光纤加速度测量装置，其特征是：所述的光纤接口为插拔式光纤接口，固定于基座底部，一端固定连接传输光纤，另一端通过插拔结构与外部测量传导光纤连接。
9.根据权利要求1所述一种反射式光纤加速度测量装置，其特征是：所述的基座底部开设有用于与被测振动体连接的螺纹孔。
10.基于如权利要求1—9任一权利要求所述反射式光纤加速度测量装置的使用方法，其特征是：所述测量被测体加速度的步骤包括：
A. 利用标准光源对系统进行标定，获取光源稳定度实时修正，实现参比测量；
B. 通过测量通道和补偿通道的对比测量，获取悬臂对应振动加速度的应变值；
C. 根据应变量计算得到质量块所受的作用力，进而得到质量块的相对加速度；
D. 根据质量块相对加速度与被测体加速度的对应关系计算得到被测体加速度值。
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