[发明专利]超低频振动计量器具校准系统及其激光干涉仪

说明书

发明领域

本发明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。

背景技术

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0.1Hz)，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，±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0.01Hz)、大位移(位移大致1m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＜0.01Hz，即T≥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。

发明内容

为此，本发明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。

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的另一个方面，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。