[发明专利]一种光纤加速度传感方法及设备

说明书

本发明属光纤传感技术领域。

加速度的测试已有许多不同方法和相应装置，但在一些环境恶劣的场合，如强电磁场干扰下，却不能满足需求。其中较为典型的情形就是大型电力设备运行中的监测。随着电力工业的发展，大型发电机的单机装机容量日益增大，其定子线圈在正常工作运行尤其是在遇到突然短路时承受的电磁力剧增，如不采取措施加以控制将导致线棒绝缘磨损，直至损坏。因而监测大型发电机定子绕组端部的振动以识别某些潜在的或发展中的端部线圈故障，及时报警处理避免破坏性高压击穿，意义重大。国内外自60年代起提出了若干种不同方案进行电机振动测量，但由于此种测量所处的特定恶劣环境，强电磁场、急速变化的气流、高分贝噪声、温度等因素都会对测试信号产生强烈的干扰，致使原有方案都存在明显缺陷。此外，由于信号引出线是金属导线，测量仪器在电气上与高压连通，甚至可能危及操作人员人身安全。光纤优异的耐压、抗强电磁干扰等性能恰在此处表现出明显的优越性。80年代以来，利用光纤加速度传感测量电机振动备受国外工业界的重视。瑞典ASEA公司等作出了利用半导体荧光特性的光纤测振仪（ASEA研究与发明公司产品说明书，AcceleroMeter    2010），光信号由光纤传至悬臂，同被测物固定在一起的悬臂调制光信号。为消除光路上其它因素的干扰影响，在悬臂上有一定量的荧光物质，光照射后产生另一波长的光同调制后的光信号一同传回，再用滤光的办法将两个波长的光分开处理，获得加速度信号。这种方法的缺点在于接收装置需分光、悬臂需加上荧光材料从而很复杂，成本也高。意大利人报道了双光纤反射式的同类传感装置（SPIE    Vol.1230    International    Conference    on    Opto-electronic    Science    and    Engineering′90），它的光信号传至悬臂，悬臂反射调制后的光信号，由另一根光纤接收传回。这种方法简化了接收装置，避免了加荧光材料的麻烦。但由于需两根光纤，安装、调试光路的复杂性自然增加，且可靠性和稳定性也必然相对变差，同时成本也降不下来。

本发明所要解决的问题就是寻找仅用单根光纤传输，同时简化接收装置，性能可靠、稳定而又低成本的光纤加速度传感方法及设备。

本发明的目的是通过下述的方法和装置实现的：

一种加速度的光纤传感方法，它包括下列步骤：

1、由编码器产生的一系列连续信号（如直流、正弦波、连续方波等），经放大后驱动光源发光并注入光纤;

2、光信号经光纤分路器进入传输光纤到达末端上的悬臂，光纤末端和悬臂与被测物固定在一起，悬臂靠光纤的一面有高反射薄层，该反射层将部分光信号反射回光纤;悬臂将随被测物一起运动，从而对反射回光纤的光信号进行调制;

3、由同一根光纤将携带加速度信息的光信号传回，并由分路器将该光信号送至光电接收管把光信号转换成电信号;

4、光电接收管送出的电信号经前置放大后分别送入带通滤波器和低通滤波器，从两滤波器输出的电信号即分别是加速度调制信号和背景信号;

5、将4所述调制信号和背景信号送至除法器中作（调制信号/背景信号）的除法运算即获得了所需的加速度信号。

上述方法中为使所获加速度信号可靠、稳定，对由悬臂反射回的光信号有一个滤模步骤，将反射激励的高阶模滤掉。滤模对光功率的损耗大于1分贝。

实现上述方法的装置包括：编码器、驱动器、光源、光纤、光纤分路器，固定于光纤末端且在靠光纤面上有高反射薄层的悬臂，光电接收管，前置放大器、带通滤波器、低通滤波器和除法器。为保证所获得的加速度信号的精度和稳定性，在紧靠悬臂的光路上还有一个滤模器，滤除不需要的高阶模。

本发明仅用一根光纤传输发、收两路光信号，且接收装置简单，整个系统光路稳定可靠，安装、调试、制作更为简便，较大地降低了成本。

图1是本发明原理示意图

图2是本发明的一种实施例

下面将结合实施例详细介绍本发明。这是一个利用光纤加速度传感进行大型发电机定子绕组端部振动测试的系统。编码器（1）产生序列信号经驱动器（2）带动光源LED（3）发光，该光信号注入光纤分路器（4）的尾纤中，经光纤分路器后由光纤连接器（13.1）将信号传至光纤（5）（实际应用中采用的单芯光缆）到达另一连接器（13.2），再进入探头区光纤。由光纤出射的光信号到达悬臂（7）上，悬臂（7）靠光纤面上有高反射材料薄层，因而将部分光信号反射回光纤。由于该段光纤和悬臂与被测物是固定在一起的，被测物振动时即带动了悬臂同时振动，由悬臂反射回光纤的光信号就携带了被测物振动的加速度信号。携带了振动信息的光信号沿原光路返回至分路器（4），因光纤分路器的作用而送至光电接收管PIN（8）转换成电信号，由前置放大器进行放大。然后分别经带通滤波器（10）和低通滤波器（11）分成调制信号和背景信号。调制信号和背景信号同时送进除法器（12）进行除法运算，即获得了振动的加速度信号。除法器（12）的使用还在于将光信号沿途传送所受到的微弯、温度、光源不稳、光分路器性能不完善等因素的影响消除。同时，为保证所获得的加速度信号的精度和稳定性，在光纤连接器（13.2）与悬臂（7）之间紧靠悬臂的地方还有一个滤模器（6）。滤模器的作用是滤除反射光所激励的高阶模，其对光功率的损耗大于1分贝。由除法器（12）输出的加速度信号进入积分器进行二次积分处理即可得到所测电机振幅信号，从而实现振幅显示、报警等功能。