專利名稱：動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)。特別是涉及一種能夠方便的應(yīng)用于大學(xué)的光纖通訊和傳感教學(xué)中，清楚了解光纖和光纖光柵傳感器技術(shù)的特性的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
光纖和光纖光柵傳感器是近幾年高速發(fā)展的新型傳感器，光纖和光纖光柵傳感器可集信息的傳感與傳輸于一體，與傳統(tǒng)的傳感器相比它具有很多優(yōu)勢(shì)如防爆，抗電磁干擾，抗腐蝕，抗震動(dòng)，耐高溫，體積小，重量輕，靈活方便，特別能在惡劣環(huán)境下使用。由于光纖和光纖光柵傳感器是近幾年發(fā)展的新型傳感器，目前，還沒(méi)有用于高等教育的關(guān)于光纖和光纖光柵傳感器這方面的高等教學(xué)儀器，因此，在教學(xué)中很難使學(xué)生親自掌握光纖和光纖光柵傳感器的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠方便的應(yīng)用于大學(xué)的光纖通訊和傳感教學(xué)中，清楚了解光纖和光纖光柵傳感器技術(shù)的特性的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，包括有工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；卡門(mén)渦流流速和流量及卡門(mén)渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，其中，工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，卡門(mén)渦流流速和流量及卡門(mén)渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)均設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀的殼體內(nèi)，它們的輸入端與設(shè)置在殼體內(nèi)的光源相連接，它們的輸出分別與設(shè)置在殼體內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)的解調(diào)結(jié)構(gòu)以及功率輸出接口相連；瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)置在殼體的外部，其輸入端與設(shè)置在殼體內(nèi)的光源相連接，輸出與設(shè)置在殼體內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)的解調(diào)結(jié)構(gòu)相連。
所述的光源為激光光源和寬帶光源中的一種，其中振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，均采用寬帶光源作為其光源；工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)采用激光光源。
所述的設(shè)置在殼體內(nèi)的解調(diào)結(jié)構(gòu)，包括有線性濾波器、光電二極管、電子放大器以及顯示結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中，接收實(shí)驗(yàn)輸出信號(hào)的線性濾波器的輸出信號(hào)經(jīng)由光電二極管進(jìn)入電子放大器放大后，輸出到顯示結(jié)構(gòu)。
所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體的面板上設(shè)置有顯示結(jié)構(gòu)、總開(kāi)關(guān)、電流/電壓開(kāi)關(guān)、振動(dòng)/流量開(kāi)關(guān)、瞬態(tài)壓力開(kāi)關(guān)、寬帶輸出接口、信號(hào)輸入接口、功率輸出接口以及零點(diǎn)調(diào)整。
所述的工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，是由光源、起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)晶體、檢偏器、電流環(huán)、光纖準(zhǔn)直器和可調(diào)電源構(gòu)成，激光光源通過(guò)光纖與光纖準(zhǔn)直器、起偏器依次相連，起偏器與法拉第旋轉(zhuǎn)晶體緊密相連，法拉第旋轉(zhuǎn)晶體與檢偏器緊密相連，檢偏器通過(guò)光纖準(zhǔn)直器、光纖至輸出，連接到設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體面板上的功率輸出接口，其中，電流環(huán)與可調(diào)電源相連，并且，電流環(huán)環(huán)繞光纖準(zhǔn)直器、起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)晶體、檢偏器以及光纖準(zhǔn)直器。
所述的工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有激光光源、光纖準(zhǔn)直器、起偏器、電光晶體、檢偏器、光纖準(zhǔn)直器、縱向電場(chǎng)以及可調(diào)電源構(gòu)成，光源通過(guò)光纖和光纖準(zhǔn)直器與起偏器相連，起偏器與電光晶體緊密相連，電光晶體與檢偏器緊密相連，檢偏器通過(guò)光纖和光纖準(zhǔn)直器至輸出，連接到設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體面板上的功率輸出接口，其中，可調(diào)電源繞在電光晶體上，形成縱向電場(chǎng)。
所述的振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有寬帶光源；光耦合器；以及由基座、質(zhì)量塊、位于基座和質(zhì)量塊上的懸臂梁彈性體、粘貼在懸臂梁彈性體上的光纖光柵、設(shè)置在基座底端的振源體組成的振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)構(gòu)成，寬帶光源通過(guò)光纖與光耦合器的輸入端相連，光耦合器的第一輸出端與粘貼在懸臂梁彈性體上的光纖光柵相連，光耦合器的第二輸出端為振動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn)的輸出端P3與設(shè)置在殼體內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)的解調(diào)結(jié)構(gòu)相連。
流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有貫通的筒體、渦輪、第一光纖光柵和支撐第一光纖光柵的載體、第二光纖光柵和支撐第二光纖光柵的載體，其中，渦輪、第一光纖光柵和支撐第一光纖光柵的載體、第二光纖光柵和支撐第二光纖光柵的載體，依次沿貫通的筒體的軸向設(shè)置在筒體內(nèi)，第一光纖光柵輸出端和第二光纖光柵輸出端分別伸出到筒體的外側(cè)，流體由筒體的臨近渦輪的口流入，從筒體的臨近第二載體的口流出。
所述的瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有爆炸體；光耦合器；寬帶光源；以及由密封彈性體、位于密封彈性體內(nèi)的光纖光柵、與光纖光柵相連并伸出密封彈性體外部的光纖組成的光纖光柵傳感器構(gòu)成，其中，寬帶光源通過(guò)光纖與光耦合器的輸入端相連，光耦合器的第一輸出端與伸出光纖光柵傳感器一端部的光纖相連，光纖光柵傳感器的另一端部嵌入密封彈性體的壁內(nèi)，光耦合器的第二輸出端作為光振動(dòng)輸出，并通過(guò)設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀的殼體的面板上的信號(hào)輸入接口連接設(shè)置在殼體內(nèi)的解調(diào)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，是動(dòng)態(tài)傳感測(cè)量光纖光柵動(dòng)態(tài)傳感的實(shí)驗(yàn)儀。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生了解動(dòng)態(tài)傳感與靜態(tài)傳感的不同，可以使學(xué)生了解和掌握光纖光柵動(dòng)態(tài)傳感器設(shè)計(jì)原理和方法，以及了解和掌握動(dòng)態(tài)傳感量的解調(diào)原理和方法。


圖1是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)儀的面板結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)儀中解調(diào)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是圖5中的振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7是卡門(mén)渦流流速和流量及卡門(mén)渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是圖7斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形記錄測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是圖9中的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1顯示結(jié)構(gòu)2總開(kāi)關(guān)3電流/電壓開(kāi)關(guān)4振動(dòng)/流量開(kāi)關(guān)5瞬態(tài)壓力開(kāi)關(guān) 6寬帶輸出接口7信號(hào)輸入接口8功率輸出接口 9零點(diǎn)調(diào)整11光源 12起偏器13法拉第旋轉(zhuǎn)晶體14檢偏器 15電流環(huán)16、17光纖準(zhǔn)直器18可調(diào)電源 20光纖 22起偏器23電光晶體 24檢偏器 25縱向電場(chǎng) 26光纖準(zhǔn)直27光纖準(zhǔn)直器28可調(diào)電源 30電子放大器31基座32質(zhì)量塊33懸臂梁彈性體34寬帶光源35光纖光柵36振源體37光耦合器38線性濾波器39光電二極管40振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)41光纖光柵傳感器42光耦合器43爆炸體44光纖 45光纖光柵 46密封彈性體51渦輪 53a第一光纖光柵53b第二光纖光柵53b54a載體 54b載體 55筒體 A殼體P1、P2、P3、P4a、P4b、P5輸出 F氣體流動(dòng)方向具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀做出詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，包括有工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，其中，工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)均設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀的殼體結(jié)構(gòu)A結(jié)構(gòu)內(nèi)，它們的輸入端與設(shè)置在殼體A內(nèi)的光源相連接，它們的輸出分別與設(shè)置在殼體A內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)的解調(diào)結(jié)構(gòu)以及功率輸出接口相連；瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)置在殼體A的外部，其輸入端與設(shè)置在殼體A內(nèi)的光源相連接，輸出與設(shè)置在殼體A內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)的解調(diào)結(jié)構(gòu)相連。
所述的光源11為激光光源和寬帶光源中的一種。其中振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，均采用寬帶光源作為其光源；工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)采用激光光源。
所述的激光光源采用本公司的專利申請(qǐng)纖維光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的方法制作。
所述的寬帶光源裝置2采用在專利號(hào)為2005201235710中所公開(kāi)的技術(shù)。
如圖2所示，所述的設(shè)置在殼體A內(nèi)的解調(diào)結(jié)構(gòu)，包括有線性濾波器38、光電二極管39、電子放大器30以及顯示結(jié)構(gòu)1構(gòu)成，其中，接收實(shí)驗(yàn)輸出信號(hào)的線性濾波器38的輸出信號(hào)經(jīng)由光電二極管39進(jìn)入電子放大器30結(jié)構(gòu)放大后，輸出到顯示結(jié)構(gòu)1。本實(shí)施例中的電子放大器采用天津愛(ài)天光電子科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)并銷售的電子放大器。
如圖1所示，所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體A的面板上設(shè)置有顯示結(jié)構(gòu)1、總開(kāi)關(guān)2、電流/電壓開(kāi)關(guān)3、振動(dòng)/流量開(kāi)關(guān)4、瞬態(tài)壓力開(kāi)關(guān)5、寬帶輸出接口6、信號(hào)輸入接口7、功率輸出接口8以及零點(diǎn)調(diào)整9。功率輸出接口8用于連接功率計(jì)來(lái)檢測(cè)輸入和輸出光的功率。
如圖3所示，所述的工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，是由光源11、起偏器12、法拉第旋轉(zhuǎn)晶體13、檢偏器14、電流環(huán)15、光纖準(zhǔn)直器16、17和可調(diào)電源18構(gòu)成，光源11采用激光光源通過(guò)光纖20與光纖準(zhǔn)直器16、起偏器12依次相連，起偏器12與法拉第旋轉(zhuǎn)晶體13緊密相連，法拉第旋轉(zhuǎn)晶體13與檢偏器14緊密相連，檢偏器14通過(guò)光纖準(zhǔn)直器17、光纖20至輸出P1，連接到設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體A面板上的功率輸出接口8，其中，電流環(huán)15與可調(diào)電源18相連，并且，電流環(huán)15環(huán)繞光纖準(zhǔn)直器16、起偏器12、法拉第旋轉(zhuǎn)晶體13、檢偏器14以及光纖準(zhǔn)直器17。
本發(fā)明的實(shí)施例應(yīng)用磁光晶體的法拉第磁致旋光效應(yīng)，基于法拉第效應(yīng)的光導(dǎo)電流傳感器的基本原理光是電磁波，它可以分成兩個(gè)互相垂直的偏振方向。
當(dāng)一束光通過(guò)處于磁場(chǎng)中的法拉第旋轉(zhuǎn)片時(shí)，它的偏振方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的角度θ為θ＝V∫Bdl如果法拉第旋轉(zhuǎn)片處于均勻磁場(chǎng)，則θ＝VBL其中，θ為偏轉(zhuǎn)角度，V為法拉第旋轉(zhuǎn)片的費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)，B為外界磁場(chǎng)強(qiáng)度，L為光通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)片的路程。
根據(jù)安培環(huán)路定律 式中I為通過(guò)電流，H為離導(dǎo)線某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，dl為磁場(chǎng)H所在處線元。當(dāng)無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線通過(guò)電流I時(shí)，導(dǎo)錢(qián)周圍將形成圓周磁場(chǎng)，在r固定的圓周上，則有 如果光沿這一圓周走一圈，即讓通有光的光纖繞此圓周一圈，則光的偏振方向旋轉(zhuǎn)角度θ為θ＝VB2πr＝VμH2πr＝VπI式中μ為法拉第旋轉(zhuǎn)片的導(dǎo)磁系數(shù)，法拉第旋轉(zhuǎn)片一般采用質(zhì)地密實(shí)且較重的火石(Flint)玻璃，常用的光敏玻璃是SF-59，光敏玻璃的導(dǎo)磁系數(shù)為1。
從上式中可知只要測(cè)量出偏振光的旋轉(zhuǎn)角度，就可以知道電流的大小。為了增加靈敏度，可以在同一圓周上多繞n圈，則θ＝nVI在圖3的結(jié)構(gòu)示意圖中，輸入光源為非偏振光源，處于地電位，其功率為Pin。光由光纖進(jìn)入高壓處的起偏器后，輸入光成為只有一個(gè)偏振方向的偏振光，此偏振光通過(guò)處于磁場(chǎng)中的法拉第旋轉(zhuǎn)片后轉(zhuǎn)動(dòng)θ角，此光可分成互相垂直的兩個(gè)分量，其中一個(gè)分量將無(wú)損耗地通過(guò)檢偏器輸出，另一個(gè)分量被檢偏器全部消除，因此輸出功率將減小。輸出光經(jīng)在光纖輸出后，偏振效應(yīng)將被減小或消除。若起偏器和檢偏器的光軸為同一方向，經(jīng)過(guò)此系統(tǒng)后的輸出功率Pout為Pout＝Pincos2θ就可以計(jì)算出被測(cè)電流I。如果外磁場(chǎng)為零，則輸出功率是輸入功率的1/2，對(duì)于直流系統(tǒng)，θ是常數(shù)。因此這種光電流傳感器不僅可以測(cè)量交流電流，也可以用來(lái)測(cè)量直流電流。
如圖4所示，所述的工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有由激光光源構(gòu)成的光源11、光纖準(zhǔn)直器26、起偏器22、電光晶體23、檢偏器24、光纖準(zhǔn)直器27、縱向電場(chǎng)25以及可調(diào)電源28構(gòu)成，光源11通過(guò)光纖20和光纖準(zhǔn)直器26與起偏器22相連，起偏器22與電光晶體23緊密相連，電光晶體23與檢偏器24緊密相連，檢偏器24通過(guò)光纖20和光纖準(zhǔn)直器27至輸出P2，連接到設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體A面板上的功率輸出接口8，其中，可調(diào)電源28繞在電光晶體23上，形成縱向電場(chǎng)25，使起偏器22、電光晶體23、光纖準(zhǔn)直器26、27和檢偏器24結(jié)構(gòu)處于可調(diào)外界縱向電場(chǎng)中。
本實(shí)驗(yàn)中測(cè)電壓范圍設(shè)定在0-2V，工業(yè)應(yīng)用中可以高達(dá)800KV。本發(fā)明的實(shí)施例應(yīng)用克爾(Kerr)電光效應(yīng)，在外界電場(chǎng)作用下，電光晶體會(huì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，其折射率差與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，其位相差是ΔΦ＝2πdK(V/l)2，其中，d是光通過(guò)電場(chǎng)的有效長(zhǎng)度；K是克爾常數(shù)；V/l是電場(chǎng)強(qiáng)度。測(cè)量其相位的變化即可測(cè)量出電壓的變化。
如圖5、圖6所示，所述的振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有寬帶光源34；光耦合器37；以及由基座31、質(zhì)量塊32、位于基座31和質(zhì)量塊32上的懸臂梁彈性體33、粘貼在懸臂梁彈性體33上的光纖光柵35、設(shè)置在基座31底端的振源體36組成的振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)40構(gòu)成，寬帶光源34通過(guò)光纖20與光耦合器37的輸入端相連，光耦合器37的第一輸出端與粘貼在懸臂梁彈性體33上的光纖光柵35相連，光耦合器37的第二輸出端為振動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn)的輸出端P3與設(shè)置在殼體A內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)1的解調(diào)結(jié)構(gòu)相連。
本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解光纖光柵振動(dòng)傳感器的原理和檢測(cè)振動(dòng)頻率，振幅等的基本知識(shí)和原理，因此測(cè)加速度測(cè)量范圍0.1-10g，頻率范圍35-1000HZ。如圖所示，在受迫振動(dòng)中，質(zhì)量m受到的力除了慣性力ma外還有彈性恢復(fù)力F，即ma＝ma+F由受迫振動(dòng)理論可知，在振動(dòng)穩(wěn)定后，傳感器在此非慣性系中振動(dòng)的頻率與源振動(dòng)頻率相同，振子m的振幅與懸臂梁材料楊氏模量E、形狀、長(zhǎng)度、振子m和振源加速度a有關(guān)。通過(guò)測(cè)量光纖光柵產(chǎn)生的應(yīng)變可以計(jì)算(或測(cè)量)出振子m的振幅A，因材料楊氏模量E、形狀、長(zhǎng)度、振子m已知，可以計(jì)算(或測(cè)量)出振源加速度a。
G=f2A(9800/4π2)=f2A248.2]]>其中f是振動(dòng)頻率，G為重力加速度g的倍數(shù)；矩形懸臂梁厚度為2d，寬度為b，長(zhǎng)度為l。由材料力學(xué)可知，其慣性矩I=2bd33,]]>端部最大撓度(振幅)hmax=12l3bd3FE,]]>根部梁表面最大應(yīng)變ϵ=dρ=32lbd2FE,]]>其中p是根部最大曲率半徑，ρ=2bd33lEF.]]>由受迫振動(dòng)理論可知，當(dāng)傳感器的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于振源頻率時(shí)，作用在質(zhì)量塊m上的慣性力ma近似與懸臂梁彈性體恢復(fù)力F相等，方向相反，即質(zhì)量塊近似不動(dòng)，只是傳感器基座與振源一起振動(dòng)。在這種情況下，傳感器振子振動(dòng)頻率f和振幅A與振源的相同。由上述分析結(jié)果可得到如下公式最大振幅A=hmax=12l3bd3maE]]>加速度aa=23bd2lmEϵ]]>可測(cè)最小加速度估算E＝5Mpa＝5*10000kg/cm2，l＝2cm，b＝0.5，d＝0.1cm，m＝0.00025kg，ε＝10-6ma＝0.0000175kgf，a＝0.0000175/0.00025＝0.07(cm/s2)G＝0.07(cm/s2)/980cm/s2＝7*10-5g。
如圖7、圖8所示，所述的流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有貫通的筒體55、渦輪51、第一光纖光柵53a和支撐第一光纖光柵53a的載體54a、第二光纖光柵53b和支撐第二光纖光柵53b的載體54b，其中，渦輪51、第一光纖光柵53a和支撐第一光纖光柵53a的載體54a、第二光纖光柵53b和支撐第二光纖光柵53b的載體54b，依次沿貫通的筒體55的軸向設(shè)置在筒體55內(nèi)，第一光纖光柵輸出端Pa和第二光纖光柵輸出端Pb分別伸出到筒體55的外側(cè)，流體51由筒體55的臨近渦輪51的口流入，從筒體55的臨近第二載體54b的口流出。
利用流體因附面層的分離作用而交替產(chǎn)生的一種自然振蕩型旋渦(卡門(mén)旋渦)原理測(cè)量氣體流速，并通過(guò)流速的測(cè)量直接反映空氣流量的流量計(jì)稱為卡門(mén)旋渦式空氣流量計(jì)。對(duì)于圓柱體，設(shè)單列旋渦產(chǎn)生的頻率為f，則有式中St-斯特勞哈爾數(shù)；d-圓柱體直徑，單位為mm；f=Stvβd]]>v-流體流速，單位為m/s；β-直徑比，β＝d/D，D為管道直徑。
若管道面積為A，由上式可知，流體的體積流量qv為qv=βdfSt]]>對(duì)于三角狀物體，其平均邊長(zhǎng)為d，則流體的體積流量qv為qv=A(1-1.5β)dfSt]]>對(duì)于一臺(tái)具體的卡門(mén)旋渦式空氣流量計(jì)，有如下關(guān)系式qv＝kf式中qv-流體流量；f-單列旋渦產(chǎn)生的頻率；k-比例常數(shù)，它與管道直徑，圓柱體直徑等有關(guān)。
由上式可知，體積流量與卡門(mén)旋渦流量傳感器的輸出頻率成正比。利用這一原理，只要檢測(cè)卡門(mén)旋渦的頻率，就可以求出流體流量。頻率的檢測(cè)利用振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。
如圖9、圖10所示，所述的瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有爆炸體43；光耦合器42；寬帶光源34；以及由密封彈性體46、位于密封彈性體46內(nèi)的光纖光柵45、與光纖光柵45相連并伸出密封彈性體46外部的光纖44組成的光纖光柵傳感器41構(gòu)成，其中，寬帶光源34通過(guò)光纖與光耦合器42的輸入端相連，光耦合器42的第一輸出端與伸出光纖光柵傳感器41一端部的光纖44相連，光纖光柵傳感器41的另一端部嵌入密封彈性體46的壁內(nèi)，光耦合器42的第二輸出端作為光振動(dòng)輸出P5，并通過(guò)設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀的殼體A的面板上的信號(hào)輸入接口7連接設(shè)置在殼體A內(nèi)的解調(diào)結(jié)構(gòu)。圖中的F為氣體流動(dòng)方向。
為了理解瞬態(tài)壓力測(cè)量的方法，本實(shí)驗(yàn)中壓力從0-0.7Mpa，響應(yīng)時(shí)間＜1ms。
在爆炸過(guò)程中，時(shí)間是非常短的，密封腔中在理想的狀態(tài)，氣體的流速與壓強(qiáng)之間的關(guān)系滿足伯努力方程 式中v、h、p為同一流線上任意點(diǎn)的流速、相對(duì)高度和壓強(qiáng)。根據(jù)伯努力方程測(cè)量壓強(qiáng)可以得到氣體的速度。
在本實(shí)施例中的光纖光柵傳感器可采用申請(qǐng)?zhí)枮?00610016075.4的光纖光柵傳感器。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，包括有工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，其中，工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)均設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀的殼體(A)內(nèi)，它們的輸入端與設(shè)置在殼體(A)內(nèi)的光源相連接，它們的輸出分別與設(shè)置在殼體(A)內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)的解調(diào)結(jié)構(gòu)以及功率輸出接口相連；瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)置在殼體(A)的外部，其輸入端與設(shè)置在殼體(A)內(nèi)的光源相連接，輸出與設(shè)置在殼體(A)內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)的解調(diào)結(jié)構(gòu)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述的光源(11)為激光光源和寬帶光源中的一種，其中振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，均采用寬帶光源作為其光源；工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)采用激光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述的設(shè)置在殼體(A)內(nèi)的解調(diào)結(jié)構(gòu)，包括有線性濾波器(38)、光電二極管(39)、電子放大器(30)以及顯示結(jié)構(gòu)(1)構(gòu)成，其中，接收實(shí)驗(yàn)輸出信號(hào)的線性濾波器(38)的輸出信號(hào)經(jīng)由光電二極管(39)進(jìn)入電子放大器(30)放大后，輸出到顯示結(jié)構(gòu)(1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體(A)的面板上設(shè)置有顯示結(jié)構(gòu)(1)、總開(kāi)關(guān)(2)、電流/電壓開(kāi)關(guān)(3)、振動(dòng)/流量開(kāi)關(guān)(4)、瞬態(tài)壓力開(kāi)關(guān)(5)、寬帶輸出接口(6)、信號(hào)輸入接口(7)、功率輸出接口(8)以及零點(diǎn)調(diào)整(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述的工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，是由光源(11)、起偏器(12)、法拉第旋轉(zhuǎn)晶體(13)、檢偏器(14)、電流環(huán)(15)、光纖準(zhǔn)直器(16、17)和可調(diào)電源(18)構(gòu)成，使用激光光源(11)通過(guò)光纖(20)與光纖準(zhǔn)直器(16)、起偏器(12)依次相連，起偏器(12)與法拉第旋轉(zhuǎn)晶體(13)緊密相連，法拉第旋轉(zhuǎn)晶體(13)與檢偏器(14)緊密相連，檢偏器(14)通過(guò)光纖準(zhǔn)直器(17)、光纖(20)至輸出(P1)，連接到設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體(A)面板上的功率輸出接口(8)，其中，電流環(huán)(15)與可調(diào)電源(18)相連，并且，電流環(huán)(15)環(huán)繞光纖準(zhǔn)直器(16)、起偏器(12)、法拉第旋轉(zhuǎn)晶體(13)、檢偏器(14)以及光纖準(zhǔn)直器(17)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述的工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有激光光源(11)、光纖準(zhǔn)直器(26)、起偏器(22)、電光晶體(23)、檢偏器(24)、光纖準(zhǔn)直器(27)、縱向電場(chǎng)(25)以及可調(diào)電源(28)構(gòu)成，光源(11)通過(guò)光纖(20)和光纖準(zhǔn)直器(26)與起偏器(22)相連，起偏器(22)與電光晶體(23)緊密相連，電光晶體(23)與檢偏器(24)緊密相連，檢偏器(24)通過(guò)光纖(20)和光纖準(zhǔn)直器(27)至輸出(P2)，連接到設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體(A)面板上的功率輸出接口(8)，其中，可調(diào)電源(28)繞在電光晶體(23)上，形成縱向電場(chǎng)(25)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述的振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有寬帶光源(34)；光耦合器(37)；以及由基座(31)、質(zhì)量塊(32)、位于基座(31)和質(zhì)量塊(32)上的懸臂梁彈性體(33)、粘貼在懸臂梁彈性體(33)上的光纖光柵(35)、設(shè)置在基座(31)底端的振源體(36)組成的振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)(40)構(gòu)成，寬帶光源(34)通過(guò)光纖(20)與光耦合器(37)的輸入端相連，光耦合器(37)的第一輸出端與粘貼在懸臂梁彈性體(33)上的光纖光柵(35)相連，光耦合器(37)的第二輸出端為振動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn)的輸出端(P3)與設(shè)置在殼體(A)內(nèi)的連接顯示結(jié)構(gòu)(1)的解調(diào)結(jié)構(gòu)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，流體的流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有貫通的筒體(55)、渦輪(51)、第一光纖光柵(53a)和支撐第一光纖光柵(53a)的載體(54a)、第二光纖光柵(53b)和支撐第二光纖光柵(53b)的載體(54b)，其中，渦輪(51)、第一光纖光柵(53a)和支撐第一光纖光柵(53a)的載體(54a)、第二光纖光柵(53b)和支撐第二光纖光柵(53b)的載體(54b)，依次沿貫通的筒體(55)的軸向設(shè)置在筒體(55)內(nèi)，第一光纖光柵輸出端(Pa)和第二光纖光柵輸出端(Pb)分別伸出到筒體(55)的外側(cè)，流體(51)由筒體(55)的臨近渦輪(51)的口流入，從筒體(55)的臨近第二載體(54b)的口流出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述的瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，包括有爆炸體(43)；光耦合器(42)；寬帶光源(34)；以及由密封彈性體(46)、位于密封彈性體(46)內(nèi)的光纖光柵(45)、與光纖光柵(45)相連并伸出密封彈性體(46)外部的光纖(44)組成的光纖光柵傳感器(41)構(gòu)成，其中，寬帶光源(34)通過(guò)光纖與光耦合器(42)的輸入端相連，光耦合器(42)的第一輸出端與伸出光纖光柵傳感器(41)一端部的光纖(44)相連，光纖光柵傳感器(41)的另一端部嵌入密封彈性體(46)的壁內(nèi)，光耦合器(42)的第二輸出端作為光振動(dòng)輸出(P5)，并通過(guò)設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀的殼體(A)的面板上的信號(hào)輸入接口(7)連接設(shè)置在殼體(A)內(nèi)的解調(diào)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀，有動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀殼體，工頻電流傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，工頻電壓傳感幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，振動(dòng)傳感的幅度、波形頻率記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，流速和流量及渦旋原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)均設(shè)置在動(dòng)態(tài)傳感實(shí)驗(yàn)儀的殼體內(nèi)，它們的輸入端與光源相連，輸出分別與解調(diào)結(jié)構(gòu)及功率輸出接口相連；瞬態(tài)壓力傳感幅度和瞬態(tài)壓力變化波形的記錄和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)置在殼體的外部，其輸入端與光源相連接，輸出與解調(diào)結(jié)構(gòu)相連。通過(guò)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生了解動(dòng)態(tài)傳感與靜態(tài)傳感的不同，可以使學(xué)生了解和掌握光纖光柵動(dòng)態(tài)傳感器設(shè)計(jì)原理和方法，以及了解和掌握動(dòng)態(tài)傳感量的解調(diào)原理和方法。
文檔編號(hào)G09B25/02GK1945662SQ200610016409
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者董蘇姍, 劉志國(guó), 楊祥鵬 申請(qǐng)人:天津愛(ài)天光電子科技有限公司