專利名稱：無源非金屬光纖振動(dòng)傳感頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測振技術(shù)中的光纖傳感頭。
大型發(fā)電機(jī)組每臺價(jià)值高達(dá)千萬以上，其定子線棒的振動(dòng)幅度與主軸扭角是急待實(shí)時(shí)監(jiān)測的兩個(gè)參量。在運(yùn)轉(zhuǎn)中若線棒振動(dòng)幅度增加到一定程度，會(huì)由于線棒間摩擦短路而燒毀發(fā)電機(jī)，不僅使機(jī)組損壞而且造成大量用戶停電。據(jù)北京重型電機(jī)廠專家介紹，每年由上述原因給國家造成的經(jīng)濟(jì)損失少則幾個(gè)億，多則幾十億元。傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器都是有源的，均以重錘在振動(dòng)影響下對壓電陶瓷或半導(dǎo)體元件施加機(jī)械壓力，從而產(chǎn)生電荷或電壓信號通過二次儀表測出振動(dòng)。然而，由于在發(fā)電機(jī)組中存在著強(qiáng)交變電磁場，使壓電陶瓷或半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的微弱電信號完全被電磁干擾淹沒而喪失測量能力。在國外，一個(gè)電廠各機(jī)組的重要參數(shù)都經(jīng)傳感器統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，然后由衛(wèi)星對全國或一片地區(qū)各發(fā)電廠實(shí)施跨廠監(jiān)測，一旦某發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，即指令該廠或機(jī)組停業(yè)運(yùn)行，而另一電廠開始投入發(fā)電。如此保證了長期正常供電，而監(jiān)測設(shè)備的關(guān)鍵部件即為傳感器。
本實(shí)用新型的目的正是為了避免上述已有技術(shù)中存在的不足而提供的一種無源非金屬傳感頭。此傳感頭加解調(diào)線路部分可測任何振動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)加速度、速度及位移量，在此基礎(chǔ)上可形成多探頭的多路復(fù)用檢測，經(jīng)信號統(tǒng)一解調(diào)，微機(jī)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警以至實(shí)現(xiàn)多臺發(fā)電機(jī)組統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。
本實(shí)用新型的目的是由以下方案來實(shí)現(xiàn)的由反射鏡、自聚焦透鏡及光纖箍組成的光學(xué)杠桿，由彈簧片和質(zhì)量塊組成的懸臂梁而共同構(gòu)成慣性光纖傳感頭。光纖箍由三根并排的光導(dǎo)纖維組成。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做詳細(xì)說明

圖1為傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為傳感頭裝配圖圖中1－光纖箍2－自聚焦透鏡3－反射鏡4－質(zhì)量塊5－彈簧片6－支架及外殼7－端蓋8－支承塊9－底座10－上蓋無源非金屬傳感頭由支承塊8、自聚焦透鏡2、反射鏡3構(gòu)成。在支架及外殼6的前端裝有光纖箍1。光纖箍為并排的三根光導(dǎo)纖維組成。自聚焦透鏡與光纖箍相連。在支架與外殼內(nèi)還裝有彈簧片5，彈簧片與質(zhì)量塊4以及貼在質(zhì)量塊上的反射鏡相連。三根光導(dǎo)纖維中的其中一根7′引入發(fā)光二極管0.85μm的光束；另兩根7″、7′′′為接收光纖，將光分別導(dǎo)向兩支PIN探測器。自聚焦透鏡和反射鏡構(gòu)成一光學(xué)杠桿。質(zhì)量塊和彈簧片構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是慣性加速度換能器。在此傳感頭中通過懸臂梁結(jié)構(gòu)將加速度轉(zhuǎn)化為反射鏡傾角的變化，而后通過光學(xué)杠桿來調(diào)制光參量。
該傳感頭的工作原理是由光導(dǎo)纖維7′傳來的光經(jīng)自聚焦透鏡2變成平行光射向反射鏡3。當(dāng)傳感頭靜止時(shí)光被反射，再經(jīng)自聚焦透鏡在光導(dǎo)纖維7″、7′′′兩支接收光纖中間，形成和光纖芯徑同樣大小的光斑。此光斑與光導(dǎo)纖維7′、7′′′光纖芯重合的面積相同，經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換成電壓信號再通過減法器輸出為零。當(dāng)振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊和反射鏡發(fā)生擺動(dòng)，反射光斑在二根接收光纖之間上下移動(dòng)，此時(shí)7″、7′′′接收的光功率不再相等，使兩支PIN探測器變換成的電信號之差恰正比于振動(dòng)加速度，經(jīng)兩次積分可得振動(dòng)位移量。其中發(fā)射光纖(芯經(jīng)200μm)應(yīng)嚴(yán)格與自聚焦透鏡同光軸，反射光斑亦應(yīng)精確調(diào)至二接收光纖中間，且因振動(dòng)反射鏡傾角變化下限只有分、秒量級。為了保證懸臂梁的諧振頻率比工作頻率(100Hz)足夠高，又有較高的靈敏度和工作穩(wěn)定，使傳感頭工作可靠，不產(chǎn)生附加諧波分量，故零件間全部采用膠封，空隙處灌以環(huán)氧樹脂。為了降低造價(jià)并易于加工，將光纖箍、自聚焦透鏡在底座9上的孔一次加工以保證對中。將質(zhì)量塊一反射鏡一彈簧片予先與支承塊8形成組件，然后將支承塊固定在底座上。在傳感頭的光纖箍一端安裝端蓋7，在傳感頭以上蓋10密封。
此傳感頭采用稀土鑄型尼龍制成，外形尺寸65×20×20mm，工作溫度20～70℃。后接光纖10～15m，這樣可使后續(xù)儀表遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場便于遙測、遙控。經(jīng)華北電力科學(xué)研究院以丹麥進(jìn)口振動(dòng)臺及測振設(shè)備標(biāo)定，該傳感頭能達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)1.動(dòng)態(tài)范圍(最小～最大可測加速度)0.05～7G(G－重力加速度，9.8m／s2)2.頻率響應(yīng)(±1dB)，20～600Hz，3.橫向靈敏度110Hz，7％4.電壓靈敏度17.8mv／m.s2。
在電測室10000安培市電強(qiáng)電磁場條件下將該傳感頭與國產(chǎn)YD－1壓電傳感器裝在同一YX－1振動(dòng)臺上進(jìn)行對比，經(jīng)用示波器觀察振動(dòng)波形，該傳感頭的信號仍清晰可見，而YD－1輸出信號已完全混亂。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有壓電、電磁或測振傳感器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)除個(gè)別內(nèi)部零件外全部采用非金屬材料制成，因此更適于在強(qiáng)電、強(qiáng)磁環(huán)境中使用。適于聯(lián)網(wǎng)遙測、遙控，統(tǒng)一顯示。懸臂梁與光學(xué)杠桿是分離的，因此可以分別設(shè)計(jì)以滿足不同技術(shù)指標(biāo)。其探頭采用無源、全光型方案，探頭小易嵌入任何待測設(shè)備，整個(gè)傳感頭結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，其研制成功解決了在強(qiáng)電磁場、腐蝕、易燃、易爆環(huán)境中測振技術(shù)中的一大難題。
權(quán)利要求1.一種無源非金屬傳感頭，其特征在于由反射鏡、自聚焦透鏡及光纖箍組成的光學(xué)杠桿，由彈簧片和質(zhì)量塊組成的懸臂梁而構(gòu)成；光纖箍裝于支架及外殼的前端，光纖箍由并排的三根光導(dǎo)纖維組成，自聚焦透鏡與光纖箍相連，在支架及外殼內(nèi)還裝有彈簧片，彈簧片與質(zhì)量塊以及貼在質(zhì)量塊上的反射鏡相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及測振技術(shù)中的一種光纖傳感器。主要用于大型發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)測試。它通過在支架及外殼的前端裝在光纖箍，光纖箍與自聚焦透鏡相連。在支架及外殼內(nèi)還裝有彈簧片。彈簧片與質(zhì)量塊以及貼在質(zhì)量塊上的反射鏡相連。采用本實(shí)用新型適于在強(qiáng)電、強(qiáng)磁環(huán)境中使用，并可實(shí)現(xiàn)多臺發(fā)電機(jī)組統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)遙測、遙控，統(tǒng)一顯示。
文檔編號G01M7/00GK2187788SQ94202968
公開日1995年1月18日 申請日期1994年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月5日
發(fā)明者李乃吉, 董毅 申請人:北京理工大學(xué)