一种宽频带振动校准外差激光干涉法及其测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种宽频带振动校准外差激光干涉法，首先利用振动台为被测加速度计提供宽频范围内特定幅值的振动激励，并利用外差激光干涉仪测量

【技术实现步骤摘要】
一种宽频带振动校准外差激光干涉法及其测量装置


[0001]本专利技术涉及一种宽频带振动校准外差激光干涉法及其测量装置，特别是一种基于对称差分解调的宽频带振动校准外差激光干涉法及其测量装置
。

技术介绍

[0002]压电式
、
光学机械式和微机电系统式等不同类型的加速度计在地震预警
、
土木结构健康检测
、
轨道和机械健康运动
、
医疗辅助诊断等领域具有广泛应用
。
在这些应用中，加速度计的灵敏度被视为精确的已知值，这直接决定了其测量数据的有效性
。
为了保证这些应用的性能，加速度计必须被精确地校准
。
因此，开发一种合适的振动校准方法来确定加速度计在宽频率范围内的灵敏度变得尤为重要
。
[0003]目前，国际标准化组织
(ISO)
推荐的激光干涉法
(LI)
是校准加速度计的首选方法
。
根据所用干涉仪的不同，激光干涉测量可分为零差激光干涉仪
(MLI)
和外差激光干涉仪
(TLI)
两种
。MLI
使用包含激励位移的两个相互正交的信号来完成加速度计的校准，能够在相对较宽的频率范围内获得相当高的精度，并且其低频可以轻松小于
1Hz。
与
MLI
相比，
TLI
使用具有高载波频率的激光干涉信号来测量激励位移，具有位移测量精度高
、r/>动态范围宽
、
非线性小等优点，在宽频带振动校准中的应用日益广泛
。
近两年来，
TLI
逐渐应用于数字加速度计的校准，其比例因子和相移校准精度分别高达
0.2
％和
0.1
°
。
虽然
TLI
可以在较宽的频率范围内完成振动校准，但其校准精度和频率范围通常是矛盾的
。TLI
的校准性能取决于其激发测量精度，这与外差激光干涉信号的获取和解调有关
。
目前常用的采集方法有：奈奎斯特采样法
(NS)、
带通采样法
(BPS)
以及混频器和低通滤波器采样法
(MLPFS)。NS
法易于实现高精度的高频振动标定，但其频率有限
。BPS
法虽然不需要任何额外模拟设备就能实现宽频带校准，但需要复杂的采样率计算方法和专用采集卡
。MLPFS
法利用模拟设备完成宽频带振动校准，其精度和效率都较为合适
。
然而，当频率高于
5kHz
时，其灵敏度相位会受到模拟低通滤波器的显著影响
。
此外，用于解调的相位展开和正弦近似方法是最优的，这已被多个相关文献证明
。
[0004]因此，如何解决当前的加速度计校准方法存在校准系统复杂
、
灵活性差
、
成本高
、
测量范围有限，特别是在较高频率下的灵敏度相位校准的不足成为了亟待解决的技术问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一宽频带振动校准外差激光干涉法及其测量装置
。
该校准方法通过融合对称差分解调技术，使其校准频率低于
1Hz
，最高可达数十
kHz。
与目前许多主流的校准方法相比，所研究的方法在校准精度
、
效率和频率范围方面具有更好的综合性能
。
[0006]本专利技术的技术方案：一种宽频带振动校准外差激光干涉法，该方法主要包括：首先利用振动台为被测加速度计提供宽频范围内特定幅值的振动激励，并利用外差激光干涉仪
测量被测加速度计的激励加速度；其次通过两种相同类型的模拟混频器和低通滤波器分别将原始激光干扰信号和参考信号变换为低载频干扰信号和低频参考信号；然后利用数据采集卡同时采集变换后的干扰信号
、
参考信号以及被测加速度计的输出信号，并对其进行处理得到被测加速度计的激励加速度；最后通过计算激励加速度和输出信号的幅值和初始相位，确定被测加速度计的灵敏度幅值和相位
。
[0007]前述的一种宽频带振动校准外差激光干涉法中，所述测量方法包括以下步骤，
[0008]S1
：将被测加速度计紧固于振动台的工作台面中心，被测加速度计与工作台面具有一致的激励，并利用可以同时直接输出原始激光干涉信号和参考信号的外差激光干涉仪将其激光束垂直聚焦在被测加速度计表面的中心，来对被测加速度计的激励加速度进行测量；
[0009]S2
：通过两种相同类型的模拟混频器和低通滤波器分别将外差激光干涉仪产生的原始激光干扰信号和参考信号变换为低载频干扰信号和低频参考信号；
[0010]S3
：利用数据采集卡采集变换后的低载频干扰信号
、
低频参考信号以及被测加速度计的输出信号，并对其进行处理得到被测加速度计的激励加速度；
[0011]S4
：结合计算的激励加速度和输出信号的幅值和初始相位，获得被测加速度计的灵敏度幅值和相位
。
[0012]前述的一种宽频带振动校准外差激光干涉法中，所述振动台可为被测加速度计提供宽频范围内特定幅值的振动激励，由于振动台由正弦信号激励，因此外差激光干涉仪的原始激光信号
U
HRF
(t)
和参考信号
U
HREF
(t)
为：
[0013][0014]其中，调制相位
φ
Mod
(t)
和激励位移
s(t)
具有以下形式：
[0015][0016]式中：
U
HRF
、f
c
和分别是
U
HRF
(t)
的幅值
、
载波频率和初始相位，
U
HREF
是
U
HREF
(t)
的幅值，
s
p
、f
v
和分别是
s(t)
的振幅
、
频率和初始相位，
λ
是激光波长＝
632.8nm。
[0017]U
HRF
(t)
的带宽取决于相应的激励速度，其通常远低于
f
c
，因此应用模拟混频器和低通滤波器来实现
U
HRF
(t)
和
U
HREF
(t)
的下变频，以便显著降低它们所需的采样速率
。
[0018]前述的一种宽频带振动校准外差激光干涉法中，所述低载频干扰信号
U
LRF
(t)、
低频参考信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种宽频带振动校准外差激光干涉法，其特征在于：该方法主要包括：首先利用振动台为被测加速度计提供宽频范围内特定幅值的振动激励，并利用外差激光干涉仪测量被测加速度计的激励加速度；其次通过两种相同类型的模拟混频器和低通滤波器分别将原始激光干扰信号和参考信号变换为低载频干扰信号和低频参考信号；然后利用数据采集卡同时采集变换后的干扰信号
、
参考信号以及被测加速度计的输出信号，并对其进行处理得到被测加速度计的激励加速度；最后通过计算激励加速度和输出信号的幅值和初始相位，确定被测加速度计的灵敏度幅值和相位
。2.
根据权利要求1所述的一种宽频带振动校准外差激光干涉法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤，
S1
：将被测加速度计紧固于振动台的工作台面中心，被测加速度计与工作台面具有一致的激励，并利用可以同时直接输出原始激光干涉信号和参考信号的外差激光干涉仪将其激光束垂直聚焦在被测加速度计表面的中心，来对被测加速度计的激励加速度进行测量；
S2
：通过两种相同类型的模拟混频器和低通滤波器分别将外差激光干涉仪产生的原始激光干扰信号和参考信号变换为低载频干扰信号和低频参考信号；
S3
：利用数据采集卡采集变换后的低载频干扰信号
、
低频参考信号以及被测加速度计的输出信号，并对其进行处理得到被测加速度计的激励加速度；
S4
：结合计算的激励加速度和输出信号的幅值和初始相位，获得被测加速度计的灵敏度幅值和相位
。3.
根据权利要求2所述的一种宽频带振动校准外差激光干涉法，其特征在于：所述振动台可为被测加速度计提供宽频范围内特定幅值的振动激励，由于振动台由正弦信号激励，因此外差激光干涉仪的原始激光信号
U
HRF
(t)
和参考信号
U
HREF
(t)
为：其中，调制相位
φ
Mod
(t)
和激励位移
s(t)
具有以下形式：式中：
U
HRF
、f
c
和分别是
U
HRF
(t)
的幅值
、
载波频率和初始相位，
U
HREF
是
U
HREF
(t)
的幅值，
s
p
、f
v
和分别是
s(t)
的振幅
、
频率和初始相位，
λ
是激光波长＝
632.8nm。U
HRF
(t)
的带宽取决于相应的激励速度，其通常远低于
f
c
，因此应用模拟混频器和低通滤波器来实现
U
HRF
(t)
和
U
HREF
(t)
的下变频，以便显著降低它们所需的采样速率
。4.
根据权利要求2所述的一种宽频带振动校准外差激光干涉法，其特征在于：所述低载频干扰信号
U
LRF
(t)、
低频参考信号
U
LREF
(t)
以及被测加速度计的输出信号
V(t)
被数据采集卡同步采集，可表示为：
式中：
U
LRF
和
U
LREF
分别是
U
LRF
(t)
和
U
LREF
(t)
的幅值，

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，蔡晨光，陈婷，刘志华，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：