專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型光纖測(cè)振儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種光學(xué)儀器，尤其涉及ー種精度高、性能穩(wěn)定的光學(xué)儀器，主要應(yīng)用于環(huán)境振動(dòng)測(cè)量、大型設(shè)備振動(dòng)測(cè)量等領(lǐng)域，通過(guò)本儀器可以測(cè)量出物體振動(dòng)的頻率和幅度。
背景技術(shù)：
在日常生活和工程實(shí)踐中，普遍存在著振動(dòng)現(xiàn)象，需要用傳感器或儀器設(shè)備對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如監(jiān)測(cè)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、造紙廠(chǎng)機(jī)電設(shè)備引起的結(jié)構(gòu)共振、發(fā)電機(jī)的高頻振動(dòng)等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，監(jiān)測(cè)煉鋼廠(chǎng)煤干燥機(jī)振動(dòng)、地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)等對(duì)環(huán)境廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)的影響等。傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試儀器一般采用電學(xué)量傳感器，如壓電式、磁電式，傳感信號(hào)通過(guò)電 信號(hào)進(jìn)行傳輸，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中容易受到電磁的干擾，這在測(cè)量微小信號(hào)時(shí)是一大障礙，而且電信號(hào)傳輸損耗大，不能進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，不易形成傳感網(wǎng)絡(luò)。因此需要新型的傳感方式來(lái)解決這些問(wèn)題。眾所周知，光纖傳感器是解決這ー問(wèn)題的最佳方式之一，光纖容易感應(yīng)外界環(huán)境的影響，如溫度、振動(dòng)、壓カ等，從而導(dǎo)致傳輸光的強(qiáng)度、相位、波長(zhǎng)、偏振態(tài)等發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量這些量的變化來(lái)監(jiān)測(cè)外界環(huán)境的變化。強(qiáng)度型光纖傳感儀器是光纖傳感器的ー種，與其它種類(lèi)的傳感器相比，如干渉型光纖傳感器、光柵傳感器等，強(qiáng)度型光纖傳感儀器有著獨(dú)特的加工簡(jiǎn)單、成本低、技術(shù)成熟、信號(hào)解調(diào)設(shè)備簡(jiǎn)單等易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)強(qiáng)度型光纖傳感儀器也具有光纖傳感器所共有的抗電磁干擾、絕緣性好、體積小、重量輕等適用性好的優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)專(zhuān)利200410066814. I提出了一種基于光纖光柵的微振動(dòng)傳感器，利用懸浮布拉格光纖光柵與被測(cè)物的共振對(duì)被測(cè)物體的振動(dòng)振幅進(jìn)行放大，對(duì)光的波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)檢測(cè)光纖光柵波長(zhǎng)的漂移來(lái)檢測(cè)外界物體的振動(dòng)。由于傳感原理采用的是共振原理，因此，此傳感器只能檢測(cè)出某一特定頻率的振動(dòng)，從而就降低了傳感器的適用范圍，而且由于懸浮布拉格光纖光柵沒(méi)有加阻尼器，傳感器的共振對(duì)儀器的穩(wěn)定性存在一定的威脅。中國(guó)專(zhuān)利200720021749. X,201120077026. 8,201110005695. 9也提出了基于光纖光柵的振動(dòng)傳感器，雖然光纖光柵傳感器先天具有傳感精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是要實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，由于光纖光柵對(duì)環(huán)境極其敏感，能同時(shí)對(duì)振動(dòng)、溫度、壓カ等同時(shí)傳感，因此降低了有用信號(hào)的信噪比，要從眾多的傳感信號(hào)中分檢出對(duì)振動(dòng)敏感的信號(hào)需要復(fù)雜的設(shè)備，而且光柵反射波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的變化而變化，專(zhuān)利中并沒(méi)有溫度補(bǔ)償裝置，測(cè)量結(jié)果會(huì)隨著溫度的不同而發(fā)生漂移，造成測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。同時(shí)要檢測(cè)出光纖光柵波長(zhǎng)的微小偏移需要高性能的光譜儀或者單色儀，這勢(shì)必會(huì)增加整個(gè)傳感系統(tǒng)的造價(jià)，降低其實(shí)用性。由于光纖光柵是以光柵波長(zhǎng)漂移來(lái)感知外界物理參量的變化，要提高傳感器的分辨率就必須壓窄反射線(xiàn)寬，因而必須采用寬帶大功率光源，才能提高系統(tǒng)的信噪比，實(shí)現(xiàn)可靠的信號(hào)檢測(cè)，這無(wú)疑再一次增加傳感系統(tǒng)的成本，降低其實(shí)用性。中國(guó)專(zhuān)利201110287001. 5利用干涉法原理，提出了一種大動(dòng)態(tài)光纖振動(dòng)傳感器，它利用高靈敏度干涉儀、低靈敏度干涉儀兩套干涉儀來(lái)對(duì)外界的振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)判斷傳感信號(hào)解調(diào)結(jié)果是否失真來(lái)決定使用高靈敏度干渉儀還是低靈敏度干涉儀。專(zhuān)利201010271187. O也提出了基于干涉法的光纖振動(dòng)傳感器。由于采用的是干涉法設(shè)計(jì)的傳感器，使得該種類(lèi)型傳感器不適用于傳感的分布式測(cè)量。干涉法測(cè)量本身需要大量的解調(diào)設(shè)備，使得儀器復(fù)雜成本高，而且此專(zhuān)利中使用了兩套干渉儀設(shè)備，使得傳感系統(tǒng)的成本將進(jìn)一步提尚。中國(guó)專(zhuān)利03114834. 4提出了一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖振動(dòng)傳感器，該傳感結(jié)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成，一部分為入射光纖，用做傳感懸臂梁使用；另一部分為光纖束接收器，光纖束連接到圖像轉(zhuǎn)換器。當(dāng)外界振動(dòng)時(shí)，光纖懸臂梁隨著振動(dòng)，懸臂梁光纖末端的出射光束就在光纖束上來(lái)回掃描，最后由圖像轉(zhuǎn)換器所接收，通過(guò)圖像轉(zhuǎn)換器的掃描軌跡來(lái)識(shí)別外界的振動(dòng)。雖然，該傳感器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易，而且成本也低。但光纖懸臂 梁在高頻振動(dòng)吋，由于存在較強(qiáng)的非線(xiàn)性，因此限制了此種傳感器的傳感范圍，綜上所述，強(qiáng)度型光纖傳感儀器有著這些易于實(shí)現(xiàn)、成本低、適用性好的優(yōu)點(diǎn)，因此有必要也很有價(jià)值去設(shè)計(jì)提高強(qiáng)度型光纖傳感儀器傳感性能的傳感儀器，如傳感精度、線(xiàn)性度等。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供ー種新型光纖測(cè)振儀器，用于測(cè)定物體的振動(dòng)，具有精度高、性能可靠，并且成本低、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明ー種新型光纖測(cè)振儀器予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是包括殼體，所述殼體的內(nèi)側(cè)面上、與之垂直地固定ー懸臂梁，所述懸臂梁的末端固定一方形質(zhì)量塊，所述方形質(zhì)量塊的上表面設(shè)有高斯反射面；所述殼體上、且位于所述方形質(zhì)量塊的正上方設(shè)有兩路光信號(hào)接收裝置和一光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)，兩路光信號(hào)接收裝置對(duì)稱(chēng)分布與所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)的兩側(cè)；當(dāng)殼體靜止時(shí)，懸臂梁靜止，所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)的出射光垂直入射到所述高斯反射面，此時(shí)，所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光方向及兩路光信號(hào)接收裝置受光面的垂線(xiàn)方向的延長(zhǎng)線(xiàn)相交于所述高斯反射面上的O點(diǎn)；當(dāng)殼體振動(dòng)，懸臂梁發(fā)生彎曲，此刻，所述高斯反射面傾斜，入射到所述高斯反射面的光反射進(jìn)入兩路光信號(hào)接收裝置；當(dāng)殼體持續(xù)振動(dòng)，懸臂梁末端上的方形質(zhì)量塊上、下擺動(dòng)，入射到所述高斯反射面的反射光束在兩路光信號(hào)接收裝置之間來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而兩路光信號(hào)接收裝置接收到的光信號(hào)量會(huì)隨著發(fā)生變化，根據(jù)光信號(hào)量的變化得出殼體的振動(dòng)情況。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明光纖測(cè)振儀器具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗電磁干擾、精度高、性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诃h(huán)境振動(dòng)測(cè)量、大型設(shè)備振動(dòng)測(cè)量等技術(shù)領(lǐng)域，如大型發(fā)電機(jī)頻率及振幅的監(jiān)測(cè)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振幅的監(jiān)測(cè)、煉鋼廠(chǎng)煤干燥機(jī)振動(dòng)對(duì)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)的影響、地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響等。因此，本發(fā)明提出的光纖測(cè)振儀器市場(chǎng)前景好，具有良好的技術(shù)轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)和廣泛的社會(huì)效益。


附圖為本發(fā)明ー種新型光纖測(cè)振儀器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I-殼體2-殼體內(nèi)側(cè)面3-懸臂梁4-方形質(zhì)量塊 5、6_光信號(hào)接收裝置 7-光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)8-高斯反射面 9-受光面
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)地描述。如附圖所示，本發(fā)明ー種新型光纖測(cè)振儀器，包括殼體，所述殼體形成封閉的內(nèi)腔，用以保持光路的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免外界環(huán)境對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能造成的影響，所述殼體的內(nèi)側(cè)面上固定一懸臂梁3，所述懸臂梁3與殼體的內(nèi)側(cè)面垂直，所述懸臂梁3的末端固定一方形質(zhì)量塊4，所述方形質(zhì)量塊4的上表面設(shè)有高斯反射面8 (可以采取將方形質(zhì)量塊4的上表面打磨成高斯反射面或者貼有高斯反射鏡)；所述殼體上、且位于所述方形質(zhì)量塊4的正上方設(shè)有兩路光信號(hào)接收裝置5、6和一光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)7,兩路光信號(hào)接收裝置5、6對(duì)稱(chēng)分布與所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)7的兩側(cè)；所述光信號(hào)接收裝置是大芯徑光纖、微光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器中的ー種，所述兩路光信號(hào)接收裝置的受光面9均鍍有增透膜，其通光孔徑和光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的大小一致；所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)為微光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)，如所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)可以是光纖準(zhǔn)直器；當(dāng)選用大芯徑光纖作為光信號(hào)接收裝置，同時(shí)選用光纖準(zhǔn)直器時(shí)，所述大芯徑光纖的端面經(jīng)光學(xué)研磨成平面，并鍍有增透膜，所述大芯徑光纖的芯徑和光纖準(zhǔn)直器的出射光束大小一致。當(dāng)被測(cè)物體靜止(也即與被測(cè)物體連接的殼體靜止)吋，懸臂梁3靜止，所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)7的出射光垂直入射到所述高斯反射面8，此時(shí)，所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)7出射光方向及兩路光信號(hào)接收裝置受光面的垂線(xiàn)方向的延長(zhǎng)線(xiàn)相交于所述高斯反射面8上的O點(diǎn)；如附圖所示，兩路光信號(hào)接收裝置的受光面9的中心與光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)7的出射端的中心間隔為D，這樣可以保證兩路光信號(hào)接收裝置總是能接收到反射光信號(hào)。通過(guò)光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)7入射到位于方形質(zhì)量塊4上表面的高斯反射面8的光束，其反射類(lèi)型為高斯反射，因此反射光束的強(qiáng)度在反射方向的橫向方向上，其強(qiáng)度按高斯分布遞減，D為其強(qiáng)度遞減至反射光束中心強(qiáng)度Ι/e時(shí)光束的寬度。由于反射光束較寬，從而也増大了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)(也即與被測(cè)物體連接的殼體振動(dòng))，懸臂梁3發(fā)生彎曲，此刻，所述高斯反射面8傾斜，入射到所述高斯反射面8的光反射進(jìn)入兩路光信號(hào)接收裝置；當(dāng)被測(cè)物體持續(xù)振動(dòng)(也即売體持續(xù)振動(dòng))，會(huì)導(dǎo)致懸臂梁3末端上的方形質(zhì)量塊上、下擺動(dòng)，入射到位于所述方形質(zhì)量塊上表面的高斯反射面8的反射光束在兩路光信號(hào)接收裝置之間來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而兩路光信號(hào)接收裝置接收到的光信號(hào)量會(huì)隨著發(fā)生變化，光信號(hào)量的變化反映出外界的振動(dòng)情況，最后通過(guò)光信號(hào)檢測(cè)處理電路來(lái)處理兩路光信號(hào)接收裝置接收到的光信號(hào)，因此，根據(jù)光信號(hào)量的變化可以得出被測(cè)物體(也即売體)的振動(dòng)情況。另外，兩路光信號(hào)通過(guò)后續(xù)的信號(hào)處理，可以消除光強(qiáng)易受光源和外界環(huán)境干擾的影 響，降低接收系統(tǒng)的測(cè)量誤差，提高測(cè)試精度。盡管上面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā) 明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗g的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種新型光纖測(cè)振儀器，包括殼體，其特征在于，所述殼體內(nèi)側(cè)面上、與之垂直地固定ー懸臂梁(3)，所述懸臂梁(3)的末端固定一方形質(zhì)量塊(4)，所述方形質(zhì)量塊(4)的上表面設(shè)有高斯反射面(8);所述殼體上、且位于所述方形質(zhì)量塊(4)的正上方設(shè)有兩路光信號(hào)接收裝置(5、6)和一光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)(7)，兩路光信號(hào)接收裝置(5、6)對(duì)稱(chēng)分布與所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)(7)的兩側(cè)； 當(dāng)殼體靜止時(shí)，懸臂梁(3)靜止，所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)(7)的出射光垂直入射到所述高斯反射面(8)，此時(shí)，所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)(7)出射光方向及兩路光信號(hào)接收裝置受光面的垂線(xiàn)方向的延長(zhǎng)線(xiàn)相交于所述高斯反射面(8)上的O點(diǎn)； 當(dāng)殼體振動(dòng)，懸臂梁(3)發(fā)生彎曲，此刻，所述高斯反射面(8)傾斜，入射到所述高斯反射面(8)的光反射進(jìn)入兩路光信號(hào)接收裝置； 當(dāng)殼體持續(xù)振動(dòng)，懸臂梁(3)末端上的方形質(zhì)量塊上、下擺動(dòng)，入射到所述高斯反射面(8)的反射光束在兩路光信號(hào)接收裝置之間來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而兩路光信號(hào)接收裝置接收到的光信號(hào)量會(huì)隨著發(fā)生變化，根據(jù)光信號(hào)量的變化得出殼體的振動(dòng)情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型光纖測(cè)振儀器，其特征在于，所述光信號(hào)接收裝置是大芯徑光纖、微光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器中的ー種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述新型光纖測(cè)振儀器，其特征在于，所述光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)為微光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述新型光纖測(cè)振儀器，其特征在干，所述微光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)是光纖準(zhǔn)直器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型光纖測(cè)振儀器，其特征在于，所述兩路光信號(hào)接收裝置的受光面均鍍有增透膜，其通光孔徑和光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的大小一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述新型光纖測(cè)振儀器，其特征在于，所述大芯徑光纖的端面經(jīng)光學(xué)研磨成平面，并鍍有增透膜，所述大芯徑光纖的芯徑和光纖準(zhǔn)直器的出射光束大小一致。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種新型光纖測(cè)振儀器，包括殼體，殼體的內(nèi)側(cè)面上、與之垂直地固定一末端帶有方形質(zhì)量塊的懸臂梁，質(zhì)量塊的上表面設(shè)有高斯反射面；殼體上、且位于方形質(zhì)量塊的正上方設(shè)有一光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)和對(duì)稱(chēng)分布于光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)的兩路光信號(hào)接收裝置；懸臂梁靜止時(shí)，光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)的出射光垂直入射到高斯反射面，此時(shí)，光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光方向及兩路光信號(hào)接收裝置受光面的垂線(xiàn)方向的延長(zhǎng)線(xiàn)相交于高斯反射面上的O點(diǎn)；外界被測(cè)物體持續(xù)振動(dòng)帶動(dòng)懸臂梁末端質(zhì)量塊擺動(dòng)，從而使兩路光信號(hào)接收裝置接收到來(lái)自高斯反射面的反射光信號(hào)量發(fā)生變化，光信號(hào)量的變化反應(yīng)了被測(cè)物體的振動(dòng)情況。本發(fā)明具有精度高、性能可靠，并且成本低、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102680073SQ20121015927
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者劉鐵根, 張以謨, 張紅霞, 許強(qiáng), 賈大功 申請(qǐng)人:天津大學(xué)