[發(fā)明專利]一種基于邁克爾遜光纖干涉儀垂直振動位移傳感器

有效

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• 申請日: 2013-01-18
• 公開（公告）號: CN103134431A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設計）人: 岳慧敏;胡澤雄;吳雨祥;李劍鋒;歐中華;劉永
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01H9/00;G01D5/353
• 代理公司: 成都華典專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;楊保剛

技術領域

本發(fā)明提供了一種基于邁克爾遜光纖干涉儀垂直振動位移傳感器。

背景技術

由于抗電磁干擾、高精度、高靈敏度等優(yōu)點，光纖傳感器越來越廣泛地應用于各種物理量的測量，如溫度、應力、磁場、方位、振動等。而基于邁克爾遜光纖干涉儀的傳感器主要應用于振動、流量及水平位移的測量，這里提出了一種基于邁克爾遜光纖干涉儀的垂直振動位移檢測系統(tǒng)。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于邁克爾遜光纖干涉儀垂直振動位移傳感器。

為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用以下技術方案：

一種基于邁克爾遜光纖干涉儀垂直振動位移傳感器，其特征在于：包括激光器、與激光器連接的耦合器、與耦合器連接的邁克爾遜干涉臂光纖，所述邁克爾遜干涉臂光纖包括參考臂和信號臂，所述參考臂末端設置有反光鏡，所述的反光鏡可以為鏡面反射鏡或漫反射，所述信號臂末端設置有對邁克爾遜干涉臂光纖的輸出光進行準直的準直鏡，還包括彈簧、質量塊，所述彈簧將質量塊支撐在封裝外殼上，所述質量塊上端面上鍍膜形成反光鏡，所述信號臂的光進入準直鏡在反光鏡上產生反射，反射光耦合到信號臂并進入耦合器，與參考臂信號發(fā)生干涉，還設有探測器檢測輸出干涉信號，當平臺T在垂直方向產生位移，邁克爾遜光纖干涉儀整體發(fā)生位移，由于質量塊的慣性，在邁克爾遜干涉儀整體移動時，質量塊保持相對靜止，使得反光鏡與擴束鏡發(fā)生相對位移，從而將平臺的位移經(jīng)彈簧傳遞給質量塊m，使反光鏡與擴束鏡在垂直方向產生與平臺位移等量的相對位移，信號臂以參考臂光程差發(fā)生變化，探測器對信號進行檢測，得到平臺垂直方向的振動位移量。

但是系統(tǒng)所能檢測的振動的位移量和頻率響應范圍取決于系統(tǒng)中傳感頭的設計，傳感頭的固有頻率正如下面的計算可以得到，在針對不同的測量參量是，需要對傳感頭的參數(shù)進行詳細設計計算，以滿足測量參量的變化范圍。

因為本發(fā)明采用以上技術方案，所以具備以下有益效果：

一、采用振動傳感頭，將平臺的垂直位移有效地轉化為了傳感頭中的質量塊與擴束鏡的相對位移，從而推動反射鏡產生相位差。

二、采用基于邁克爾遜光纖干涉儀系統(tǒng)為主題，具有精度高、響應快及動態(tài)范圍大等優(yōu)點。

三、系統(tǒng)結構設計簡單，易于操作，容易實現(xiàn)系統(tǒng)性能提高的相關改進。

附圖說明

圖1為本發(fā)明原理圖；

圖2為傳感頭結構圖；

圖中M為準直鏡，M2、M1為反光鏡、K為彈簧、m為質量塊。

具體實施方式

本發(fā)明采用一般基于邁克爾遜干涉儀的剛性的設計，那么在平臺產生位移或震動時，系統(tǒng)的信號臂與參考臂都會隨之發(fā)生位移或震動，這樣參考臂就失去其存在的意義而無法進行相干測量。要確保參考臂相對靜止，并且要將平臺的位移傳遞給信號臂，采用了上圖的設計方案，傳感頭設計如下如圖2所示：

傳感頭中，M1、M及k都固定在傳感頭外殼上，質量塊m通過彈簧k連接支撐，當傳感頭發(fā)生垂直位移，由于質量塊的慣性，M2與M產生相對位移，相對位移的變化，改變了信號光的相位，承載了相位信息的光信號通過信號臂到達耦合器，再通過探測器得到位移量。整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍和能夠檢測的位移范圍取決于傳感頭的設計，而傳感頭的設計核心是由質量塊和彈簧組成的諧振子，所以傳感頭中質量塊與彈簧的選擇十分重要，假設質量塊質量為m、位移為x，彈簧彈性系數(shù)為k，則由動力學得到：

求解可得質量塊作簡諧振動，其固有頻率為：

由上式可知傳感頭的固有頻率與質量塊的開方成反比，與彈簧的彈性系數(shù)開方成正比，系統(tǒng)測量的是M與M2的相對位移，如果要測量的振動位移頻率較低，則設計中要求傳感頭的諧振頻率盡量小些，采用質量大的質量塊和彈性系數(shù)小的彈簧；如果要測量的振動位移頻率較高，則設計中要求傳感頭的諧振頻率盡量大些，采用質量小的質量塊和彈性系數(shù)大的彈簧。如果系統(tǒng)是在平臺振動下做受迫振動，而系統(tǒng)只在意相對位移，也不會影響到振動位移的測量。

???經(jīng)過耦合器到達參考臂與信號臂的光強為I0，則反射后到達探測器的信號為：

其中η為M1、M2的反射率，Δφ為兩臂的相位差，Δφ=2k0nΔL，空氣中n=1，ΔL即為M與M2的相對位移。探測器檢測到的信號波形。

通過探測器波形變化，即可以得到平臺的位移量信息。而系統(tǒng)是基于邁克爾遜光纖干涉儀，其精度可以達到納米級，完全能夠滿足一般位移測量要求。