專利名稱：超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)及其激光干涉儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低頻或超低頻振動測量領域，尤其涉及用于對低頻或超低頻振動計量 器具(如低頻振動傳感器)進行校準的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)及其中采用的激光干 涉儀。
背景技術：
低頻和超低頻振動屬于自然界中存在面較廣的物理現(xiàn)象，如橋梁、大壩、高樓、大 型水輪機組等大型結構的環(huán)境振動以及地震中的一些振動等都屬于低頻或超低頻振動。這 些大型結構一旦發(fā)生危險，將會造成不可估量的損失，因此開展低頻和超低頻振動的研究
意義重大。隨著中國現(xiàn)代化建設的飛速發(fā)展，大型工程結構如高層建筑和大跨度橋梁自振頻 率越來越低(多數(shù)低于0. IHz)，其狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷已成為工程界研究的熱點；城市軌 道交通網(wǎng)的興建，也使對振敏型精密儀器環(huán)境振動的測量和評估方法的研究成為社會廣泛 關注的焦點。用于地震預報和觀測研究用的儀器要求具有良好的超低頻(甚至零頻)特 性，如中周期地震計的頻率下限為0. 05Hz,寬頻帶地震計的頻率下限甚至達到0. 003Hz，海 底地震觀測和海浪的測量則更是屬于超低頻特大位移(0.05Hz，士 10m)的振動測量。生物 動力學研究、地質勘探、新能源的開發(fā)也都與超低頻振動密切相關，核爆炸的監(jiān)測更屬超低 頻振動測量的范疇，涉及超低頻振動的下限達0. 003Hz。中國現(xiàn)有的國家低頻振動基準頻率下限為0. 1Hz，最大振幅為40mm，其測力范圍 遠遠不能滿足上述領域對超低頻振動計量器具(如超低頻振動傳感器)量值進行溯源的需 求，因此迫切需要能夠對超低頻振動計量器具進行校準的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)及 其方法?，F(xiàn)有的用于對低頻振動計量器具進行校準的低頻振動計量器具校準系統(tǒng)通常包 括用于測量振動臺輸出加速度(或速度或者位移)用的激光干涉儀以及用于對計量器具的 輸出信號以及激光干涉儀輸出的信號進行采樣分析的數(shù)據(jù)采集和分析裝置。然而，現(xiàn)有的 低頻振動計量器具校準系統(tǒng)存在以下問題而導致不能適用于超低頻振動領域1)由于低頻振動計量器具校準系統(tǒng)中采用的大型機械子系統(tǒng)與復雜電子子系統(tǒng) 的耦合、振動臺長導軌加工精度和應力變形等因素，均會使激光干涉儀在動態(tài)超低頻(頻 率低于0. OlHz)、大位移(位移大致Im左右)的微弱信號情況下，激光干涉儀的跟蹤測量性 能變差、精確測量困難。另外，激光干涉儀中采用的光電接收-放大器為了抑制漂移，均采 用交流耦合方式，但該耦合方式的低頻下限很難低于0.01Hz。此外，激光多普勒信號畸變會 造成激光信號解算的錯誤。2)低頻到超低頻(如< 0. OlHz,即T彡100s)信號的采樣時間隨測量周期的增大 而大幅增長，因此對超低頻振動信號采樣所產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)量會導致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集和處 理裝置的存儲器無法存儲和操作全部數(shù)據(jù)。需要對現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集和處理裝置的數(shù)據(jù)采集和 處理方法進行修改以適應超低頻振動信號采樣和處理的需要。
因此，需要一種可以解決現(xiàn)有低頻振動計量器具校準系統(tǒng)中存在的問題以便能夠 適用于超低頻振動領域的低頻振動計量器具校準系統(tǒng)以及適于在這種低頻振動計量器具 校準系統(tǒng)中使用的激光干涉儀

發(fā)明內容
為此，本發(fā)明提出了一種可以解決上述問題的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)及其 信號處理方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種適于在超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)中使用 的激光干涉儀，所述超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)還包括用于產(chǎn)生低頻振動的振動臺，該 激光干涉儀包括平面反射鏡，其中所述激光干涉儀發(fā)射到所述振動臺上的測量光由所述 平面反射鏡進行反射?？蛇x地，該激光干涉儀還具有參考光路，而且所述參考光路包括多個反射鏡，所 述多個反射鏡固定在所述參考光路的鏡架上，并且根據(jù)距離所述鏡架底座的距離而分為多 個反射鏡組，其中每個反射鏡組包括多個反射鏡，每個反射鏡組中的一個反射鏡將光反射 到其他反射鏡組中。可選地，該激光干涉儀還包括沃拉斯頓棱鏡以產(chǎn)生兩路正交的干涉光，而且所述 激光干涉儀還包括兩個光電接收-放大器，用于分別對所述干涉光進行光電轉換以產(chǎn)生電 信號，其中所述兩個光電接收-放大器中的每個均包括光電倍增管，用于對入射到所述光 電倍增管的光信號進行光電轉換。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)，包括如 上所述的激光干涉儀?？蛇x地，該超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)還包括振動臺，用于產(chǎn)生在某些頻率下 的低頻或超低頻振動，而且被測低頻振動計量器具安裝在所述振動臺上以感測所產(chǎn)生的低 頻或超低頻振動；角錐棱鏡，安裝在所述振動臺上，將由所述激光干涉儀所產(chǎn)生的測量光反 射到所述平面反射鏡上，并將來自所述平面反射鏡的反射光反射回所述激光干涉儀；以及 數(shù)據(jù)采集和處理裝置，接收由所述激光干涉儀產(chǎn)生的兩路相互正交的電信號以及由所述被 測低頻振動計量器具產(chǎn)生的感測信號，根據(jù)所述電信號和所述感測信號生成所述被測低頻 振動計量器具在所述低頻或超低頻頻率和相應的振幅下的感測靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的激光干涉儀和超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)，通過采用角錐棱鏡和 平面反射鏡的設計，使得無論角錐棱鏡，發(fā)生扭擺、晃動或平移，光束都將沿原方向返回，由 此使得測量光程加倍，以便可以更好地應用于低頻和超低頻振動測量領域。另外，在本發(fā)明中，對于激光干涉儀中的參考光路，通過在空間上層疊多個反射 鏡，可以在相對小的空間內容納更長的參考光光程，從而使得激光干涉儀更適于超低頻振 動測量。根據(jù)本發(fā)明的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)在測量頻率0. 002Hz 160Hz、動態(tài) 測量光程大于Im的低頻和超低頻振動范圍內實現(xiàn)了振動加速度、速度和位移靈敏度幅值 和相移激光絕對法的準確測量。


通過閱讀下文優(yōu)選實施方式的詳細描述，各種其他的優(yōu)點和益處對于本領域普通 技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實施方式的目的，而并不認為是對本發(fā)明的 限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。其中在附圖中，參考數(shù)字之后 的字母標記指示多個相同的部件，當泛指這些部件時，將省略其最后的字母標記。在附圖中圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)的 框圖；圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)中 的激光干涉儀的圖示；圖3A-3C示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的激光干涉儀中的參考光光路 的布局方式；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的激光干涉儀中采用的直流型光電 接收-放大器的電路圖；圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)中 的數(shù)據(jù)采集和處理裝置的框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步的描述。圖1示意性地示出了 根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)的框圖。如圖1所示，校準系統(tǒng)100 包括振動臺110、角錐棱鏡120、激光干涉儀130和數(shù)據(jù)采集和處理裝置140。振動臺110產(chǎn) 生預定的低頻振動。被測低頻或超低頻振動計量器具150耦接到振動臺110以便感測振動 臺110產(chǎn)生的低頻或超低頻振動。可選地，被測低頻或超低頻振動計量器具150通常為低 頻或超低頻振動傳感器，其通常固定到振動臺110上來感測振動臺110所產(chǎn)生的低頻或超 低頻振動。在被測低頻或超低頻振動計量器具150具有傳遞面的情況下，角錐棱鏡120可 以安裝在被測低頻或超低頻振動計量器具150的傳遞面上，或者角錐棱鏡120可以安裝在 振動臺110緊鄰被測低頻或超低頻振動計量器具150的臺面上，從而使得角錐棱鏡120所 感受的低頻或超低頻振動和被測低頻或超低頻振動計量器具150所感受的相同。應當注 意的是，只要角錐棱鏡120能夠與被測低頻或超低頻振動計量器具150相同地感受振動臺 110所產(chǎn)生的低頻或超低頻振動，所有的角錐棱鏡120的安裝方式都在本發(fā)明的保護范圍 之內。激光干涉儀130基于國際標準ISO 16063-11 :1999所推薦的現(xiàn)有零差正交 Michelson激光干涉儀，因此為了簡明起見，在本申請中不對與現(xiàn)有零差正交Michelson激 光干涉儀相同的部件的功能進行詳細描述，而是僅僅對為了實現(xiàn)本發(fā)明所需要的必要部件 以及本發(fā)明所提出的新部件進行詳細描述。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的激光干涉 儀130的圖示，其中還示出了激光干涉儀130和角錐棱鏡120之間的耦合。如圖2所示，激 光干涉儀130除了現(xiàn)有零差正交Michelson激光干涉儀中所包括的部件之外，還包括用于 對角錐棱鏡120所反射的光再次進行反射的平面反射鏡210，因此，來自干涉儀激光器220 的測量光在發(fā)射到安裝在振動臺110上的角錐棱鏡120之后，由平面反射鏡210反射返回。 由于角錐棱鏡120與平面反射鏡210的組合使測量光做了二次折返，即干涉帶增加了 1倍，從而提高了該激光干涉儀所產(chǎn)生信號的分辨率。另外，該組合方式，尤其是在采用單個角 錐棱鏡120的情況下，使得角錐棱鏡在發(fā)生扭擺、晃動或平移情況下，光束都將沿原方向返 回，因此此設計最大限度地發(fā)揮了角錐棱鏡的優(yōu)點。另外，在激光干涉儀130中，為了激光干涉信號的穩(wěn)定，在光路中采用了測量光和 參考光等光程設計。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當振動臺110用于超低頻振動測量時，振動 臺運動部分的位移最大約為lrn，加上振動臺外的光路，單程的測量光程約為3m。另外，本發(fā) 明的平面反射鏡210和角錐棱鏡120的設計使得光程加倍，這樣整個測量光程將近6m到7m 之間。由于等光程設計，即參考光的光路光程應該與測量光光程具有相同的長度，因此，激 光干涉儀130內部需要很大的空間安排參考光的光路。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，激光干涉儀130采用一種空間多層光路布局方式，以 便在有限的空間中布局長的參考光光程。圖3A-3C示意性地示出了這種參考光光路的布局 方式，該參考光的布局通常應用于圖2中的參考鏡240和偏振片250之間的光路中。圖3C 示出了參考光光路的側視圖，參考光光路中采用了多個反射鏡，這些反射鏡均固定到鏡架 340上。這些反射鏡根據(jù)與鏡架340的底座310的距離而分為多個組。具體而言，圖3C中 示出了距離底座為第一距離的第一組反射鏡320以及距離底座為第二距離的第二組反射 鏡330。每組反射鏡包括多個反射鏡。圖3A示出了第一組反射鏡320的具體布局，如圖3A 所示，第一組反射鏡包括反射鏡Ml、M2、M3、M4和M5，其中參考光經(jīng)過這些反射鏡并且由反 射鏡M5反射到第二組反射鏡330中。圖3B示出了第二組反射鏡330的具體布局，如圖3B 所示，第二組反射鏡330包括反射鏡M6、M7、M8、M9、M10和Mil，由M5反射上來的參考光通 過反射鏡M6、M7、M8、M9和MlO之后，由反射鏡Mll沿原路返回，并且由反射鏡M6反射到第 一組反射鏡330中，并沿原路反射返回。如圖3A-3C所示，第一組反射鏡320和第二組反射 鏡330距離底座具有不同的距離，而且每組反射鏡中都有一個反射鏡用于將光反射到其它 組反射鏡中。這樣，通過在空間上層疊多個反射鏡，可以在相對小的空間內容納更長的參考 光光程，從而使得激光干涉儀130適于超低頻振動測量。應當注意的是，雖然在圖3C中示出了兩組在空間上層疊的反射鏡組，但是本發(fā)明 不局限于此，另外本發(fā)明也不局限于特定反射鏡組中的反射鏡布局。本發(fā)明通過在空間上 層疊多個反射鏡以便在有限的空間內盡量延長參考光的光程，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明 實施例給出的啟示完全可以設計出超過兩層或者包括不同反射鏡布局的參考光路設計。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一組反射鏡320距離底座有45mm，而第二組反射鏡 距離底座有70mm，通過這樣的兩組反射鏡設計，可以提供大約6m到7m的參考光光程以便與 測量光光程相匹配。激光干涉儀130中利用沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡產(chǎn)生兩路正交的干涉光，隨后 這兩路干涉光信號由兩個相應的光電接收_放大器230轉換成兩路正交的電信號并發(fā)送到 數(shù)據(jù)采集和處理裝置140進行進一步處理。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光電接收_放大器230的電路圖。 光電接收-放大器230包括接收光信號并轉換為電信號的、由光電倍增管(PMT)制成的光 電接收器410。由光電接收器410轉換后的電信號由跟隨器420進行擴流，并隨后由放大器 430進行放大并輸出?？蛇x地，在進行放大之前，利用零偏置電路440對擴流后的電信號進 行偏置調零處理。圖4中采用了直流耦合型的光電接收器來進行光電轉換，從而克服了現(xiàn)
7有激光干涉儀中所采用的交流耦合型光電接收器增加電容后在超低頻(0. IHz以下)頻段 下形成附加相位差而增加測量誤差源的問題。另外，在超低頻振動情況下，所生產(chǎn)的信號為 近乎直流的長周期信號，由于普通光電二極管對溫度變化極為靈敏，因此在相當長的周期 內采用反饋控制進行溫度補償幾乎是不可行的。因此，圖4中采用了由光電倍增管(PMT) 制成的光電接收器，其對環(huán)境溫度變化相對不靈敏。實驗證明，在500秒的長周期振動測量 中，由直流漂移帶來的影響< 0. 5X 10_4，完全滿足測量不確定度的要求。綜上可知，本發(fā)明 的光電接收-放大器230通過采用由光電倍增管(PMT)制成的光電接收器410，使得光電接 收_放大器230可以適用于超低頻頻段中的信號接收和放大。繼續(xù)參考圖1，數(shù)據(jù)采集和處理裝置140接收由激光干涉儀130產(chǎn)生的兩路相互正 交的信號以及由被測低頻或超低頻振動計量器具150產(chǎn)生的感測信號，根據(jù)來自激光干涉 儀130的兩路相互正交的信號確定振動臺110的振動特征值(如振動頻率和振動加速度、 速度或位移)，并根據(jù)來自被測低頻或超低頻振動計量器具150的感測信號生成被測低頻 或超低頻振動計量器具150所感測到的振動特征值(如與加速度成比例的電壓值)，并將二 者進行比較以確定被測低頻或超低頻振動計量器具150在某個頻率和加速度(或速度、位 移)下的感測靈敏度。數(shù)據(jù)采集和處理裝置140基于國際標準ISO 16063-11 1999 “激光干涉法振動絕 對校準”中正弦逼近法和國外文獻“用于正交干涉儀的改進型相位連續(xù)展開算法”(Istvto Daniel, Advanced successive phaseunwrapping algorithm for quadrature output Michelson interferometers [J]，Measurement, 37 (2005)，95-102.)來分別對兩路正交信 號和感測信號進行處理。為了便于對數(shù)據(jù)采集和處理裝置140的理解，下文闡述了正弦逼近法和用于正交 干涉儀的改進型相位連續(xù)展開算法的基本原理在被測低頻振動計量器具150為加速度計的情況下，其復靈敏度用復值函數(shù)表 示
權利要求
一種適于在超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)中使用的激光干涉儀，所述超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)還包括用于產(chǎn)生超低頻振動的振動臺，該激光干涉儀包括平面反射鏡，其中所述激光干涉儀發(fā)射到所述振動臺上的測量光由所述平面反射鏡進行反射。
2.如權利要求1所述的激光干涉儀，其中所述激光干涉儀還具有參考光路，而且所述 參考光路包括多個反射鏡，所述多個反射鏡固定在所述參考光路的鏡架上，并且根據(jù)與所述鏡架底 座的距離而分為多個反射鏡組，其中每個反射鏡組包括多個反射鏡，每個反射鏡組中的一個反射鏡將光反射到其他反 射鏡組中。
3.如權利要求2所述的激光干涉儀，其中所述反射鏡組為兩個。
4.如權利要求1-3中的任一個所述的激光干涉儀，其中所述激光干涉儀采用參考光和 測量光等光程設計。
5.如權利要求1-3中的任一個所述的激光干涉儀，其中所述激光干涉儀還包括沃拉斯 頓棱鏡以產(chǎn)生兩路正交的干涉光，而且所述激光干涉儀還包括兩個光電接收-放大器，用 于分別對所述干涉光進行光電轉換以產(chǎn)生電信號，其中所述兩個光電接收-放大器中的每 個均包括光電倍增管，用于對入射到所述光電倍增管的光信號進行光電轉換。
6.如權利要求5所述的激光干涉儀，其中所述兩個光電接收-放大器中的每個均還包括跟隨電路，對所述光電倍增管產(chǎn)生的電信號進行擴流；零偏置電路，對所述擴流后的電信號進行偏置調零；以及放大電路，用于對所述擴流且經(jīng)過偏置調零后的電信號進行放大。
7.一種超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)，包括如權利要求1-6中的任一個所述的激光干 涉儀。
8.如權利要求7所述的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)，還包括振動臺，用于產(chǎn)生在某個頻率下的低頻和超低頻振動，而且被測低頻或超低頻振動計 量器具安裝在所述振動臺上以感測所產(chǎn)生的低頻或超低頻振動；角錐棱鏡，安裝在所述振動臺上，將由所述激光干涉儀所產(chǎn)生的測量光反射到所述平 面反射鏡上，并將來自所述平面反射鏡的反射光反射回所述激光干涉儀；以及數(shù)據(jù)采集和處理裝置，接收由所述激光干涉儀產(chǎn)生的兩路相互正交的電信號以及由所 述被測低頻或超低頻振動計量器具產(chǎn)生的感測信號，根據(jù)所述電信號和所述感測信號生成 所述被測低頻或超低頻振動計量器具在所述低頻或超低頻頻率下的感測靈敏度。
9.如權利要求8所述的低頻或超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)采集和處 理裝置包括數(shù)據(jù)采集部件，采集由所述激光干涉儀產(chǎn)生的兩路相互正交的電信號以及由所述被測 低頻或超低頻振動計量器具產(chǎn)生的感測信號以產(chǎn)生要處理的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分解部件，對所述要處理的數(shù)據(jù)進行分割以生成多個可以被子模塊運算部件一次 處理的子數(shù)據(jù)以及剩余數(shù)據(jù)；所述子模塊運算部件，接收所述多個子數(shù)據(jù)，并進行相應的矩陣運算處理以產(chǎn)生相應 的子結果；余數(shù)運算部件，接收所述剩余數(shù)據(jù)并進行相應的矩陣運算處理以產(chǎn)生余數(shù)子結果； 合并運算部件，接收所述子結果以及所述余數(shù)子結果，對所述子結果以及所述余數(shù)子 結果進行合并處理以產(chǎn)生最后的處理結果；以及 結果輸出部件，輸出所述最后的處理結果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適于在超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)中使用的激光干涉儀，所述超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)還包括用于產(chǎn)生超低頻振動的振動臺，該激光干涉儀包括平面反射鏡，其中所述激光干涉儀發(fā)射到所述振動臺上的測量光由所述平面反射鏡進行反射。另外，本發(fā)明還公開了采用該激光干涉儀的超低頻振動計量器具校準系統(tǒng)。
文檔編號G01H9/00GK101968380SQ20101029266
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權日2010年9月26日
發(fā)明者于梅, 何聞, 劉愛東, 左愛斌, 楊麗峰, 胡紅波, 馬明德 申請人:中國計量科學研究院;浙江大學