高灵敏度全光纤低频超低频振动传感关键技术研究

低频超低频振动测量技术在大型建筑、机械设备、航空航天、地球活动等领域起着举足轻重的作用，电学振动传感器在抗恶劣环境如高温、强电磁干扰等方面受到了一定限制，部分光学类振动传感器在传感装置体积、抗参数交叉敏感、探测最低频率和灵敏度方面还需改进和完善。光纤传感技术因其抗电磁干扰、易组网和可远距离测量等优点，已成为低频振动测量技术中最具潜力的传感技术之一，但是对于构成“智能结构”现有的光纤振动传感器还存在一些问题，比如体积大、可探测振动频率范围下限偏高、温度交叉敏感等。 针对现有光纤振动传感器存在的问题，项目按照传感器的微型化、可探测振动频率范围低频化和消除温度交叉敏感的总体思想，分析了振动响应结构的理论模型及其阻尼和谐振频率对响应度的影响，研究了三种不同类型的全光纤微型化的低频超低频振动传感器，并在传感器的设计、制作、优化和环境响应特性测试等方面做了比较系统全面的分析。经过4年的研究完成了如下三个任务：(1). 设计基于微结构光纤和珐珀干涉仪的全光纤点式简支梁型低频超低频振动传感器；(2). 设计并制作带质量块悬臂梁式全光纤低频F-P加速度传感器和基于微结构光纤的摆锤型全光纤点式低频振动传感器；(3).设计制作了一种基于微结构光纤布拉格光栅的振动和温度同时准分布式测量的全光纤传感器。设计制作的传感器集成了微振动梁和质量块结构，可以同时对振动和温度进行准分布式测量，可以有效探测0.5Hz～10Hz的振动，其信噪比高达28dB，为解调振动信息提供了足够保障。同时该传感器的温度特性线性度较好，实验测得在20℃～180℃内，FBGs的温度敏感度分别为8.55pm/℃和8.09pm/℃，该传感器在大型建筑物和机械质量监测应用中具有很大的实用价值。 发表SCI收录论文8篇；培养了2名博士生，6名硕士研究生；全面完成了该项目的预期目标。 2100433B

低频超低频振动测量技术在大型建筑、航空航天、地球活动等领域的监测中起着举足轻重的作用，电学振动传感器在抗恶劣环境如高温、强电磁干扰等方面受到了一定限制，部分光学类振动传感器在传感装置体积、抗参数交叉敏感、探测最低频率和灵敏度方面还需改进和完善。结合课题组在光纤微加工和光纤低频超低频振动研究方面多年的研究基础，为进一步降低振动传感器的可探测频率、提高振动响应灵敏度和抗干扰能力，申请人提出一种高灵敏度的基于光动力学的微型化全光纤谐振频率扫描式振动传感技术。核心思想是利用光辐射压力和光制热应力来调节微振动传感器的谐振频率，从而实现基于微振动结构的低频和超低频振动测量的高灵敏度读出。该技术的突出优点是将全光纤振动传感器集成在光纤上来实现全光纤振动传感器的微型化；通过谐振频率扫描式的读出机制来实现弱振动的高灵敏度检测和提高抗干扰能力。因此该项目具有很好的学术研究意义和重要的潜在应用价值。

低频或超低频振动测量套件专利目的

《低频或超低频振动测量套件》提出了一种可以解决上述问题的低频或超低频振动测量套件。

低频或超低频振动测量套件技术方案

《低频或超低频振动测量套件》的发明人发现，2010年9月前在航天系统中使用的、应用于飞行器姿态控制的石英挠性伺服加速度计具有体积小、重量轻、高分辨率和稳定性好等特点，且具有直流响应的特性。如果将该类传感器应用于低频或超低频振动测量，并针对该类传感器设计特定的电源和适调放大器，则可以对低频或超低频振动进行精确的测量。该发明基于上述发现而做出。

根据《低频或超低频振动测量套件》的一个方面，提供了一种低频或超低频振动测量套件，包括：石英挠性加速度计，测量低频或超低频振动并输出以电压或者电流方式表示的低频或超低频振动信号；适调放大器，接收所述石英挠性加速度计输出的低频或超低频振动信号，对所述低频或超低频振动信号进行可选的放大处理并输出经处理的低频或超低频振动信号；以及稳压电源部件，用于为所述适调放大器提供稳压电源，其中所述稳压电源部件包括：电源输入端，以提供输入电源；耦接到所述电源输入端的一级稳压部件以及耦接到所述一级稳压部件的二级稳压部件，所述一级和二级稳压部件构成反馈式跟踪稳压电路，以降低所述输入电源电压的波动；耦接到所述二级稳压部件的LC滤波电路，以进一步过滤所述电源电压中的高频分量；以及电源输出端，输出经稳压的电源给所述适调放大器。

可选地，稳压电源部件的电源输出端还输出经稳压的电源到挠性加速度计。

可选地，稳压电源部件还包括耦接在所述LC滤波电路和所述电源输出端之间的三级稳压部件，用于进一步降低所述电源电压的波动。

可选地，适调放大器还包括：调零电路，接收来自所述稳压电源部件的经稳压的电源，并提供与所述低频或超低频振动信号中的静态分量相对应的调零信号；减法器，接收所述低频或超低频振动信号和所述调零信号，并输出从所述低频或超低频振动信号中减去所述调零信号之后的经调零信号；多级直流放大器，接收所述经调零信号并进行多级直流放大，以提供多个放大后的低频或超低频振动信号；以及多个有源滤波器，接收来自所述稳压电源部件的经稳压的电源，用于对所述放大后的低频或超低频振动信号进行滤波。

低频或超低频振动测量套件改善效果

根据《低频或超低频振动测量套件》的发明人的实验结果表明，根据《低频或超低频振动测量套件》的适调放大器在0.01赫兹～100赫兹的低频或超低频振动范围内取得了较好的测量效果。

0.1Hz超低频高压发生器、程控超低频高压发生器、超低频高压发生器

《低频或超低频振动测量套件》涉及低频和超低频振动领域，尤其涉及用于对低频或者超低频振动进行测量的传感器及包括该传感器的测量套件。