CN2783284Y

CN2783284Y - 三分量光纤振动测量装置

Info

Publication number: CN2783284Y
Application number: CN 200420113787
Authority: CN
Inventors: 周瑶琪; 王维波; 王保三
Original assignee: 周瑶琪
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2014-12-28

Abstract

一种三分量光纤振动测量装置，涉及振动测量领域。该装置包括一壳体，壳体内有一重物，重物由壳体内互相正交的三个方向上的弹性部件和支撑部件定位，各弹性部件分别与设在壳体上的弹性调节部件连接，在支撑部件和壳体之间放置光纤微弯变形结构，光纤微弯变形结构由缠绕着光纤的光纤缠绕体构成，光纤缠绕体为弹性材料制成，光纤输入端与光源耦合相连，光纤的输出端与光敏二极管耦合相连，每个方向的光纤微弯变形结构配备一块电路板，每个电路板都有由发光二极管组成的光源电路，由光敏二极管构成的光电转换电路，以及放大滤波电路。由于该装置采用由一个惯性体和不同方向的三个光导纤维检测器组成的弹性结构，具有一体化程度高，结构简单，使用方便，测试效果好等优点。

Description

三分量光纤振动测量装置

技术领域

本实用新型属于振动测量装置，特别是涉及一种利用光纤微弯原理检测振动的装置。

背景技术

振动是一种在介质中传播的波，具有振幅和频率等特性。测量振动的传感器称为振动传感器，振动传感器主要分为加速度型、速度型和位移型，测量振动的原理有电磁感应原理、变电容原理和压电效应、光纤干涉原理和光纤微弯效应等。振动传感器在地震勘探、振动测试和天然地震监测等方面有大量的运用。

振动传感器的几个重要指标是分辨率、频带和灵敏度。分辨率指振动传感器能分辨的最小加速度或位移值；频带是振动传感器能响应的振动信号的频率范围；灵敏度指输出电压信号幅值与振动幅值之间的比例，有缘传感器可以通过放大电路调整灵敏度。

利用电磁感应和压电效应的振动传感器属于无源传感器，其灵敏度和分辨率一般较低。利用电磁感应原理的振动传感器包括磁场和芯体，利用芯体与磁场之间的相对运动产生电信号输出。由于磁场分布不均匀、磁场范围不够大等原因，灵敏度和分辨率都难以提高，而且由于外界电磁干扰还会产生噪声。

利用变电容技术的微机械(MEMS)虽然使用简单，但分辨率一般也不高。利用光纤干涉原理的振动传感器技术比较复杂，不便于批量重复制造和在野外地震勘探这样的严酷环境中使用。

光纤微弯效应是指利用光纤发生微小弯折时传输光强发生微小变化的现象，光纤光强变化对微小形变的响应非常灵敏，因而利用该原理可以将其作为振动传感器制造分辨率非常高的振动测量装置。

另外，在三分量振动测量方面，目前的三分量振动传感器一般采用三个单分量振动传感器组合而成，每个传感器有各自的振动部分。这种三分量振动传感器存在以下一些问题：

1、结构复杂，在一个装置里含有三个独立的单分量振动传感器；

2、三个单分量振动传感器组合时要调节得互相垂直比较困难，使用不方便；

3、三个单分量振动传感器有各自的振动机构，因而检测的不是同一个点的

振动情况，这在某些精密测量环境下是不允许的。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种采用光导纤维检测器作为三分量检测机构，且三分量检测机构一体化，采用一个惯性体检测一点的三分量振动信息的振动检测装置，该装置结构简单，具有频带宽、分辨率高和灵敏度高的特点。

为实现以上发明目的，本实用新型采用的技术方案是：三分量光纤振动检测装置具有一壳体，壳体内有一重物，重物由壳体内互相正交的三个方向上的弹性部件和支撑部件定位，各弹性部件分别与设在壳体上的弹性调节部件连接，在支撑部件和壳体之间放置光纤微弯变形结构，光纤微弯变形结构由缠绕着光纤的光纤缠绕体构成，光纤缠绕体为弹性材料制成，通过弹性调节部件可以调节各方向弹性部件的松紧，即调节重物的位置和对光纤微弯变形结构压力的大小，光纤输入端与光源耦合相连，光纤的输出端与光敏二极管耦合相连，电路板上对应于每个光纤微弯变形结构均有由发光二极管组成的光源电路、由光敏二极管构成的光电转换电路和放大滤波电路。

该技术方案中，重物作为一个惯性体可以朝任意方向运动，三方向上的弹性机械结构将重物适当的固定紧，使其在不受外部振动时是静止的，在受外部振动时，重物能够由于惯性作用可以朝任意方向运动，因而对三个方向的弹性结构产生不同的压紧和放松作用，从而导致光纤缠绕体发生微小形变，导致光纤输出的光强发生变化，通过光电转换等电路处理，就可以输出与振动相关的电信号。

上述技术方案中，壳体下部可以设有尾锥，以适合各种场合的测振，在松软地面测振时，将装置的尾锥插入地面，在硬表面的场合只需将尾锥卸掉即可。

上述技术方案中，可以在壳体上与光纤微弯变形结构对应的位置设置电路板安装部件，同时该部件用于支撑光纤微弯变形结构，该部件有空腔，空腔内放置有电路板，每个光纤微弯变形结构均与一块电路板连接，这样可使装置内的部件更紧凑，减小装置的体积。

上述技术方案中，光源部分可以是发光二极管，也可以是激光二极管。

本实用新型采用弹性部件将一个重物与三个互相垂直方向上的光纤振动传感器共同组成一个一体化的三分量检测机构，结构简单实用，与目前的三分量检波器结构相比，还具有如下特点：

1、三个测振传感器在一个装置里，共用一个惯性体，由惯性体将振动传给三个方向上的弹性结构，因而测量的振动是一个点的振动情况，可以获得较好的测量效果；

2、三个测振传感器互相垂直，不需要进行复杂的调整，使用非常方便；

3、由于光纤微弯效应非常灵敏，对非常微小的形变也能响应，因而本装置的分辨率非常高；

4、由于对重物质量和弹性体弹性的合理处理，本装置的频带很宽；

5、由于没有磁场结构，因而本装置不受外界电磁干扰。

附图说明

图1是本实用新型的侧面剖视图。

图2是本实用新型的水平剖视图。

图3是本实用新型的电路图。

图中各标号的意义是：

1)壳体 2)重物 3)尾锥

103)Z向(垂直向)空腔 104)Z向空腔盖过孔 105)Z向空腔盖

106)Z向光纤缠绕体 107)Z向密封垫圈 108)Z向金属垫板

109)Z向弹性调节螺母 110)Z向弹簧 111)Z向光纤缠绕体上缠绕的光纤

203)X向(垂直向)空腔 204)X向空腔盖过孔 205)X向空腔盖

206)X向光纤缠绕体 207)X向密封垫圈 208)X向金属垫板

209)X向弹性调节螺母 210)X向弹簧 211)X向光纤缠绕体上缠绕的光纤

303)Y向(垂直向)空腔 304)Y向空腔盖过孔 305)Y向空腔盖

306)Y向光纤缠绕体 307)Y向密封垫圈 308)Y向金属垫板

309)Y向弹性调节螺母 310)Y向弹簧 311)Y向光纤缠绕体上缠绕的光纤

五、具体实施方式

图1和图2是本实用新型的结构示意图，在密封金属壳体1内部，有一球形金属重物2，重物2由X、Y、Z三个互相垂直方向上的弹性部件弹簧110、210、310和支撑部件金属垫板108、208、308定位，弹簧110、210、310分别与设置在壳体1上的弹性调节部件弹性调节螺母109、209、309连接，壳体1内的X、Y、Z三个互相垂直的面上，各有一个固定在壳体1上的电路板安装部件空腔盖105、205、305，在空腔盖105、205、305和金属垫板108、208、308之间压着光纤微弯变形结构，光纤微弯变形结构由缠绕着光纤111、211、311的光纤缠绕体106、206、306构成，光纤缠绕体106、206、306为弹性材料制成的环形圈，空腔盖105、205、305有空腔103、203、403，空腔盖105、205、305与壳体1之间有密封圈107、207、307，空腔盖105、205、305作为放置电路板的部件，其空腔103、203、403里放置有电路板，空腔盖105、205、305上有孔104、204、304，用于电路板与微弯变形结构之间的光纤连接，通过弹性调节螺母109、209、309可以调节重物2与光纤微弯变形结构之间的松紧度，壳体1下部设有尾锥3。

每个微弯变形结构上缠绕的光纤111、211、311，均有有一个光输入端，一个光输出端。电路板上的发光管为在光纤输入端提供恒定强度的光源，在光纤输出端通过光敏管检测光强。

当装置受到外部振动作用时，重物2由于惯性作用，会对三个方向的金属垫板108、208、308和弹簧110、210、310产生不同的力作用，从而对微弯变形结构106、206、306产生力作用，使其发生形变，从而使缠绕在结构体上的光纤的输出光强发生变化。光电转换电路检测到光强变化并将其转化为电压信号，再通过放大和滤波电路处理后输出。

图3是本实用新型的电路原理图。每个与光纤微弯变形结构连接的电路板完全一样。电路主要分为4大部分：1)电源部分；2)发光控制部分；3)光电流一电压转换部分；4)放大和滤波部分。

电源部分是图3中(a)部分的电路。JP1为外接12V直流电源接口，自恢复保险Fusel和二极管D1形成电源连接保护电路，以保护电路在电源接反时不受损坏。U1为一个LM2937线性稳压芯片，输出+10V电压。用TLE2426其中的一个放大器U2A构成虚地发生器，输出+5V和-5V电压。

发光控制部分是图3中(b)部分的电路。LED1是L870-40K00发光二极管，R2为固定电阻，R1是可调电阻，可以调整流过发光二极管的电流。C1，C14是旁路电容，用来滤波。LED1发出的光经过耦合原件接入光纤的光输入端。

图3中(c)部分是光电流-电压转换部分和放大和滤波部分。

光电流-电压转换电路由光敏管PD1和放大器U3构成。PD1型号为SFH250，U3型号为AD795。光敏管PD1与光纤的光输出端耦合，将光强转化为光电流，光电流经过U3、R3和C4构成的电流-电压转换电路后，在U3的第6脚就转化为电压信号。C8和R4构成一个高通滤波器，用来虑掉信号中的直流分量。

U4是AD620，构成信号放大电路。RG1为增益电阻，改变RG1的大小，可以改变放大倍数。

U5是MAX280，构成提供滤波电路。信号经过R5和C9后输入到U5的第1脚，U5的第7脚是滤波后的输出信号。

整个电路的工作原理是：电源部分给整个电路的其他器件提供+5V和-5V稳定电压，发光部分给光纤提供稳定光强的光源，光敏管检测光纤输出端的光强，并将其转化为电压信号。隔直电路能去除信号中的直流分量，而只检测交流分量，信号经过放大和滤波后就作为信号输出。

Claims

1、一种三分量光纤振动测量装置，包括一壳体，其特征在于壳体内有一重物，重物由壳体内互相正交的三个方向上的弹性部件和支撑部件定位，各弹性部件分别与设在壳体上的弹性调节部件连接，在支撑部件和壳体之间放置光纤微弯变形结构，光纤微弯变形结构由缠绕着光纤的光纤缠绕体构成，光纤缠绕体为弹性材料制成，光纤输入端与光源耦合相连，光纤的输出端与光敏二极管耦合相连，电路板上对应于每个光纤微弯变形结构均有由发光二极管组成的光源电路、由光敏二极管构成的光电转换电路和放大滤波电路。

2、根据权利要求1所述的三分量光纤振动测量装置，其特征在于壳体下部设有尾锥。

3.根据权利要求1或2所述的三分量光纤振动测量装置，其特征在于壳体上与光纤微弯变形结构对应的位置设置有电路板安装部件，并作为支撑光纤微弯变形结构的部件，该部件有空腔，空腔内放置有与光纤微弯变形结构对应的电路板，使每个光纤微弯变形结构均与一块电路板连接。

4、根据权利要求1或2所述的三分量光纤振动测量装置，其特征在于光源部分可以是激光二极管。

5、根据权利要求3所述的三分量光纤振动测量装置，其特征在于光源部分可以是激光二极管。