超低频振动计量器具校准系统及其激光干涉仪技术方案

本发明专利技术公开了一种适于在超低频振动计量器具校准系统中使用的激光干涉仪，所述超低频振动计量器具校准系统还包括用于产生超低频振动的振动台，该激光干涉仪包括平面反射镜，其中所述激光干涉仪发射到所述振动台上的测量光由所述平面反射镜进行反射。另外，本发明专利技术还公开了采用该激光干涉仪的超低频振动计量器具校准系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及低频或超低频振动测量领域，尤其涉及用于对低频或超低频振动计量 器具(如低频振动传感器)进行校准的超低频振动计量器具校准系统及其中采用的激光干 涉仪。
技术介绍
低频和超低频振动属于自然界中存在面较广的物理现象，如桥梁、大坝、高楼、大 型水轮机组等大型结构的环境振动以及地震中的一些振动等都属于低频或超低频振动。这 些大型结构一旦发生危险，将会造成不可估量的损失，因此开展低频和超低频振动的研究意义重大。随着中国现代化建设的飞速发展，大型工程结构如高层建筑和大跨度桥梁自振频 率越来越低(多数低于0. IHz)，其状态监测和故障诊断已成为工程界研究的热点；城市轨 道交通网的兴建，也使对振敏型精密仪器环境振动的测量和评估方法的研究成为社会广泛 关注的焦点。用于地震预报和观测研究用的仪器要求具有良好的超低频(甚至零频)特 性，如中周期地震计的频率下限为0. 05Hz,宽频带地震计的频率下限甚至达到0. 003Hz，海 底地震观测和海浪的测量则更是属于超低频特大位移(0.05Hz，士 10m)的振动测量。生物 动力学研究、地质勘探、新能源的开发也都与超低频振动密切相关，核爆炸的监测更属超低 频振动测量的范畴，涉及超低频振动的下限达0. 003Hz。中国现有的国家低频振动基准频率下限为0. 1Hz，最大振幅为40mm，其测力范围 远远不能满足上述领域对超低频振动计量器具(如超低频振动传感器)量值进行溯源的需 求，因此迫切需要能够对超低频振动计量器具进行校准的超低频振动计量器具校准系统及 其方法。现有的用于对低频振动计量器具进行校准的低频振动计量器具校准系统通常包 括用于测量振动台输出加速度(或速度或者位移)用的激光干涉仪以及用于对计量器具的 输出信号以及激光干涉仪输出的信号进行采样分析的数据采集和分析装置。然而，现有的 低频振动计量器具校准系统存在以下问题而导致不能适用于超低频振动领域1)由于低频振动计量器具校准系统中采用的大型机械子系统与复杂电子子系统 的耦合、振动台长导轨加工精度和应力变形等因素，均会使激光干涉仪在动态超低频(频 率低于0. OlHz)、大位移(位移大致Im左右)的微弱信号情况下，激光干涉仪的跟踪测量性 能变差、精确测量困难。另外，激光干涉仪中采用的光电接收-放大器为了抑制漂移，均采 用交流耦合方式，但该耦合方式的低频下限很难低于0.01Hz。此外，激光多普勒信号畸变会 造成激光信号解算的错误。2)低频到超低频(如< 0. OlHz,即T彡100s)信号的采样时间随测量周期的增大 而大幅增长，因此对超低频振动信号采样所产生的庞大数据量会导致现有的数据采集和处 理装置的存储器无法存储和操作全部数据。需要对现有数据采集和处理装置的数据采集和 处理方法进行修改以适应超低频振动信号采样和处理的需要。因此，需要一种可以解决现有低频振动计量器具校准系统中存在的问题以便能够 适用于超低频振动领域的低频振动计量器具校准系统以及适于在这种低频振动计量器具 校准系统中使用的激光干涉仪
技术实现思路
为此，本专利技术提出了一种可以解决上述问题的超低频振动计量器具校准系统及其 信号处理方法。根据本专利技术的一个方面，提供了一种适于在超低频振动计量器具校准系统中使用 的激光干涉仪，所述超低频振动计量器具校准系统还包括用于产生低频振动的振动台，该 激光干涉仪包括平面反射镜，其中所述激光干涉仪发射到所述振动台上的测量光由所述 平面反射镜进行反射。可选地，该激光干涉仪还具有参考光路，而且所述参考光路包括多个反射镜，所 述多个反射镜固定在所述参考光路的镜架上，并且根据距离所述镜架底座的距离而分为多 个反射镜组，其中每个反射镜组包括多个反射镜，每个反射镜组中的一个反射镜将光反射 到其他反射镜组中。可选地，该激光干涉仪还包括沃拉斯顿棱镜以产生两路正交的干涉光，而且所述 激光干涉仪还包括两个光电接收-放大器，用于分别对所述干涉光进行光电转换以产生电 信号，其中所述两个光电接收-放大器中的每个均包括光电倍增管，用于对入射到所述光 电倍增管的光信号进行光电转换。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种超低频振动计量器具校准系统，包括如 上所述的激光干涉仪。可选地，该超低频振动计量器具校准系统还包括振动台，用于产生在某些频率下 的低频或超低频振动，而且被测低频振动计量器具安装在所述振动台上以感测所产生的低 频或超低频振动；角锥棱镜，安装在所述振动台上，将由所述激光干涉仪所产生的测量光反 射到所述平面反射镜上，并将来自所述平面反射镜的反射光反射回所述激光干涉仪；以及 数据采集和处理装置，接收由所述激光干涉仪产生的两路相互正交的电信号以及由所述被 测低频振动计量器具产生的感测信号，根据所述电信号和所述感测信号生成所述被测低频 振动计量器具在所述低频或超低频频率和相应的振幅下的感测灵敏度。根据本专利技术的激光干涉仪和超低频振动计量器具校准系统，通过采用角锥棱镜和 平面反射镜的设计，使得无论角锥棱镜，发生扭摆、晃动或平移，光束都将沿原方向返回，由 此使得测量光程加倍，以便可以更好地应用于低频和超低频振动测量领域。另外，在本专利技术中，对于激光干涉仪中的参考光路，通过在空间上层叠多个反射 镜，可以在相对小的空间内容纳更长的参考光光程，从而使得激光干涉仪更适于超低频振 动测量。根据本专利技术的超低频振动计量器具校准系统在测量频率0. 002Hz 160Hz、动态 测量光程大于Im的低频和超低频振动范围内实现了振动加速度、速度和位移灵敏度幅值 和相移激光绝对法的准确测量。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的 限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后 的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中图1示意性地示出了根据本专利技术一个实施例的超低频振动计量器具校准系统的 框图；图2示意性地示出了根据本专利技术一个实施例的超低频振动计量器具校准系统中 的激光干涉仪的图示；图3A-3C示意性地示出了根据本专利技术一个实施例的激光干涉仪中的参考光光路 的布局方式；图4示意性地示出了根据本专利技术一个实施例的激光干涉仪中采用的直流型光电 接收-放大器的电路图；图5示意性地示出了根据本专利技术一个实施例的超低频振动计量器具校准系统中 的数据采集和处理装置的框图。具体实施例方式下面结合附图和具体的实施方式对本专利技术作进一步的描述。图1示意性地示出了 根据本专利技术一个实施例的超低频振动计量器具校准系统的框图。如图1所示，校准系统100 包括振动台110、角锥棱镜120、激光干涉仪130和数据采集和处理装置140。振动台110产 生预定的低频振动。被测低频或超低频振动计量器具150耦接到振动台110以便感测振动 台110产生的低频或超低频振动。可选地，被测低频或超低频振动计量器具150通常为低 频或超低频振动传感器，其通常固定到振动台110上来感测振动台110所产生的低频或超 低频振动。在被测低频或超低频振动计量器具150具有传递面的情况下，角锥棱镜120可 以安装在被测低频或超低频振动计量器具1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适于在超低频振动计量器具校准系统中使用的激光干涉仪，所述超低频振动计量器具校准系统还包括用于产生超低频振动的振动台，该激光干涉仪包括：　　平面反射镜，其中所述激光干涉仪发射到所述振动台上的测量光由所述平面反射镜进行反射。

【技术特征摘要】
一种适于在超低频振动计量器具校准系统中使用的激光干涉仪，所述超低频振动计量器具校准系统还包括用于产生超低频振动的振动台，该激光干涉仪包括平面反射镜，其中所述激光干涉仪发射到所述振动台上的测量光由所述平面反射镜进行反射。2.如权利要求1所述的激光干涉仪，其中所述激光干涉仪还具有参考光路，而且所述 参考光路包括多个反射镜，所述多个反射镜固定在所述参考光路的镜架上，并且根据与所述镜架底 座的距离而分为多个反射镜组，其中每个反射镜组包括多个反射镜，每个反射镜组中的一个反射镜将光反射到其他反 射镜组中。3.如权利要求2所述的激光干涉仪，其中所述反射镜组为两个。4.如权利要求1-3中的任一个所述的激光干涉仪，其中所述激光干涉仪采用参考光和 测量光等光程设计。5.如权利要求1-3中的任一个所述的激光干涉仪，其中所述激光干涉仪还包括沃拉斯 顿棱镜以产生两路正交的干涉光，而且所述激光干涉仪还包括两个光电接收-放大器，用 于分别对所述干涉光进行光电转换以产生电信号，其中所述两个光电接收-放大器中的每 个均包括光电倍增管，用于对入射到所述光电倍增管的光信号进行光电转换。6.如权利要求5所述的激光干涉仪，其中所述两个光电接收-放大器中的每个均还包括跟随电路，对所述光电倍增管产生的电信号进行扩流；零偏置电路，对所述扩流后的电信号进行偏置调零；以及放大电路，用于对所述扩流且经过偏置调零后的电信号进行放大。7.一种超低频振动计量器具校准系统，包括如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：于梅，刘爱东，马明德，左爱斌，杨丽峰，胡红波，何闻，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，浙江大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]