[发明专利]一种光纤型振动传感测量系统

权利要求书

1.一种光纤型振动传感测量系统，包括振动系统，所述振动系统包括支撑梁(3)，悬臂梁(5)，光源(1)，所述悬臂梁(5)垂直设置于支撑梁(3)上，所述支撑梁(3)固定安装在支撑梁刚性梁(7)上，所述悬臂梁(5)上固定有一光纤(2)，其特征在于，在所述光纤(2)上选择一位移和能量最敏感点作为光纤光栅(4)的黏贴点，所述悬臂梁(5)采用光敏感材料，通过在质量块(6)上方采用全光脉冲(9)使得悬臂梁(5)振动，所述全光脉冲(9)采用全光驱动系统，所述全光驱动系统主要包括激光光源、将光束进行3DB分光的光耦合器、减少反射光对光谱输出功率稳定性产生不良影响的光隔离器、调节光相位的相位调制器、用于探测干涉条纹的光电探测器、用于感测外界变化的刻槽型光纤光栅与悬臂梁间形成的F-P干涉仪，所述刻槽光纤光栅在悬臂梁上粘贴位置的选取是通过对悬臂梁不同粘贴位置的应力、扰度进行分析，分别计算出悬臂梁自由端的扰度、作用力量程及光纤的最大微应变，选择最佳粘贴点；所述激光光源发出的激光通过3dB光耦合器耦合进光纤，以便光功率可以均等的分开到悬臂梁上，然后光功率在3dB耦合器里面进行传输并分别到达F-P干涉仪，一部分信号将进入光探测器，通过相应光纤光栅波长及衰减的变化可以测出振动的频率、幅度及加速度大小；

且在悬臂梁(5)的末端位置处上下对称设置有质量块(6)，通过设置一光检测系统测量振动加速度及振幅信号，所述光检测系统包括激光器、分光镜、通过衰减传输光功率来实现对信号的实时控制的可变光衰减器、用于对光产生的不同偏振进行控制的光纤偏振控制器、用于提高光探测器接收信号的平衡光探测器和显示输入信号频谱特性的电子频谱分析仪，所述激光器发射的光束通过光纤射入分光镜，所述分光镜将光束分成信号光和参考光；所述信号光传输至第一可变光衰减器衰减传输光功率后再传入光纤偏振控制器，经过信号变化后通过光电探测器进行测量；测量后通过光纤输入平衡光探测器并将光信号转化为电信号；所述参考光经过光纤传输至第二可变光衰减器后再传输至平衡光探测器将光信号转化为电信号；所述平衡光探测器将电信号传输至电子频谱分析仪。

2.根据权利要求1所述的光纤型振动传感测量系统，其特征在于：所述振动系统还包括电动分度头，所述电动分度头不旋转时当作支撑块，在旋转时可以实现对物体角速率的检测，刚性悬臂梁在转动的过程中，由于质量块重力作用会产生周期性形变，检测周期性形变就可以得到周期性信号，通过光束与光路输出的光束经过光电探测器可以形成电信号，将电信号作为输入接入到频谱分析仪中通过两路信号之间的频率变化解算周期性信号就得出刚性结构的转动角速度。

3.根据权利要求1所述的光纤型振动传感测量系统，其特征在于：所述刻槽型光纤光栅主要是由光纤包层及纤芯构成，刻槽结构区只存在单侧区域，当施加一定的全光脉冲(9)驱动作用于敏感悬臂梁上时，悬臂梁上会导致相应振动，会导致悬臂梁发生弯曲，刻槽型光纤光栅在弯曲下会发生一定的褶皱型结构，从而激发包层模的耦合，使得光传输谱发生相应的变化。

4.根据权利要求1所述的光纤型振动传感测量系统，其特征在于：当高功率的脉冲激光束聚焦后辐射在所述悬臂梁(5)的敏感材料上时，由于辐射区内吸收了激光的能量，将在其表面产生一团高温高压的等离子体，这些离子体不断吸收来自激光的能量，并迅速向四周的介质中扩张，进而形成一道等离子冲击波，受反作用力的作用，辐射靶面将受到一个阵面陡峭的面冲击载荷，材料受到的峰值压力的计算公式：

在该式中，ρ₀(g/cm³)表示20摄氏度空气的密度，α为等离子体热能占内能的比例，通常取0.25；I₀(GW/cm²)为激光的功率密度，同时I₀与激光各参数的关系满足式

式中I₀(GW/cm²)为功率密度，P(GW)为平均功率，f(Hz)是激光频率，τ(s)为激光脉宽，A(cm²)为激光的光斑面积，若激光功率密度为I₀，激光单脉冲能量为E，脉宽为τ，光斑面积为A，则它们的关系将满足式(3):

将上述的参数带入式(3)中求得激光功率密度I_o，再将求得的I₀带入式(1)中可以求得材料受到的激光压力的峰值P_max(GP_a)。