本發(fā)明涉及電力工業(yè)領(lǐng)域的高精度振動測試技術(shù)，屬于加速度傳感器領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種抗強電磁干擾的三維光纖加速度傳感器。

背景技術(shù)：

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)，近年來，電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴大，電網(wǎng)容量和電壓等級不斷提升，電力系統(tǒng)的運行維護變得尤為重要。在電力系統(tǒng)中，振動是造成設(shè)備故障發(fā)生的主要表征之一，因此，實時檢測設(shè)備的振動信息對電力系統(tǒng)的安全運行具有重要意義。傳統(tǒng)的振動傳感器主要是機電式加速度傳感器，其傳感性能易受環(huán)境因素影響，特別是當(dāng)被測對象處于高電壓、大電流、高溫、腐蝕、空間受限等惡劣環(huán)境中，傳統(tǒng)的機電式加速度傳感器無法準(zhǔn)確測量，且對于一些易燃易爆危險環(huán)境甚至存在極大的安全隱患。因而，基于光傳感與光傳輸?shù)墓饫w加速度傳感器在這些方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

光纖傳感器是伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而興起的新型傳感技術(shù)，它以光纖作為媒介，感知外界被測參量。由于光纖具有無電源、直徑小、重量輕、耐腐蝕、耐高低溫等特點，特別適合在危險(如：易燃易爆)、空間受限及強電磁干擾等惡劣環(huán)境中使用。因此，光纖傳感器廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)等領(lǐng)域。

一般地，光纖加速度傳感器按調(diào)制機理不同可分為強度調(diào)制型、相位調(diào)制型和波長調(diào)制型。其中，應(yīng)用較為成熟的主要是基于邁克爾遜干涉儀的光纖加速度傳感器，其典型結(jié)構(gòu)如附圖1所示，干涉儀兩臂傳感光纖分別纏繞在兩個彈性體上，組成一個推挽式結(jié)構(gòu)，傳感光纖尾端使用法拉第磁旋鏡作為光路反射鏡，同時抑制光纖中偏振衰落問題。當(dāng)振動信號作用在加速度傳感器上，質(zhì)量塊在慣性力作用下使兩個彈性體上分別發(fā)生壓應(yīng)變和張應(yīng)變，導(dǎo)致光纖干涉儀兩臂光路中的相位變化等幅反相，從而產(chǎn)生干涉相長效應(yīng)。通過高精度相位解調(diào)技術(shù)，即可獲得振動信息。但由于法拉第磁旋鏡內(nèi)部存在磁鐵，在強電磁場環(huán)境中無法穩(wěn)定控制光偏振態(tài)，因此基于邁克爾遜干涉儀的光纖加速度傳感器不能在高電壓、大電流等電力工業(yè)中使用。

近年來，新型光纖光柵加速度傳感器得到迅速發(fā)展，常見的結(jié)構(gòu)如附圖2所示，光纖光柵埋在一個等強度彈性懸臂梁上，懸臂梁底邊固定于基座，頂端固定有一個質(zhì)量塊。當(dāng)存在振動信號時，質(zhì)量塊的慣性力會彎曲等強度彈性懸臂梁，使傳感光柵上產(chǎn)生均勻應(yīng)變，從而改變光柵反射中心波長。通過波長解調(diào)技術(shù)，即可獲得相關(guān)振動信息。這種光纖光柵懸臂梁型結(jié)構(gòu)具有體積小、成本低、制作簡單等優(yōu)點，但傳感器工作頻率帶寬較窄、靈敏度較低，不能滿足電力工業(yè)中高精度振動監(jiān)測的需求。

目前，大部分的光纖加速度傳感器只能測量單個方向上的振動信號，而實際工程應(yīng)用中，需測量三維方向上的振動信息。除了傳感器性能的限制外，現(xiàn)有的光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)材料大多是金屬材質(zhì)，不宜于安裝在電力設(shè)備(比如高壓變壓器、開關(guān)柜等)內(nèi)，存在電極放電的安全隱患。鑒于以上技術(shù)問題，實有必要提供一種抗強電磁干擾的三維光纖加速度傳感器以克服以上技術(shù)缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種抗強電磁干擾的三維光纖加速度傳感器，解決了在高電壓、大電流、高溫等電力工業(yè)環(huán)境中高精度振動監(jiān)測的難題。

本發(fā)明的上述目的主要通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

本發(fā)明提供一種抗強電磁干擾的三維光纖加速度傳感器，包括傳感器外殼011、振子結(jié)構(gòu)以及傳感光路；所述振子結(jié)構(gòu)由三對彈性敏感元件031和一個質(zhì)量塊021組成，所述彈性敏感元件031以質(zhì)量塊021為中心，沿質(zhì)量塊021三維軸向成對正交分布，每一維方向?qū)?yīng)的兩個彈性敏感元件031，其中之一均纏繞有傳感光纖041，所述傳感光纖041一端通過第一光纖耦合器051與外部光纖相連，所述傳感光纖041另一端通過第二光纖耦合器052與法拉第磁旋鏡071相連，構(gòu)成三路所述傳感光路，分別用于感受三維方向振動信號；所述振子結(jié)構(gòu)固定于所述傳感器外殼011內(nèi)，所述傳感器外殼011、振子結(jié)構(gòu)、傳感光纖041均為非金屬材質(zhì)，法拉第磁旋鏡071設(shè)置在所述傳感器外殼011之外，位于被測強電磁環(huán)境外。

所述第一光纖耦合器051、第二光纖耦合器052均為2×2光纖耦合器，所述第一光纖耦合器051的一個輸入端與外部光纖相連，所述第一光纖耦合器051的另一個輸入端為無光端，所述第一光纖耦合器051的一個輸出端與纏繞在彈性敏感元件031上的傳感光纖041一端相連，所述第一光纖耦合器051的另一個輸出端與所述第二光纖耦合器052的一個輸入端相連，所述第二光纖耦合器052的另一個輸入端與纏繞在彈性敏感元件031上的傳感光纖041另一端相連，所述第二光纖耦合器052的一個輸出端與法拉第磁旋鏡071相連，所述第二光纖耦合器052的另一個輸出端為無光端，所述第一光纖耦合器051、第二光纖耦合器052均封裝在所述傳感器外殼011內(nèi)。

上述第一光纖耦合器051及第二光纖耦合器052多余部分均做無光處理，防止光纖端面反射對信號的影響。法拉第磁旋鏡071設(shè)置在傳感器外殼011之外，其余光路部分封裝在傳感器外殼011之內(nèi)，解決了法拉第磁旋鏡在強電磁場環(huán)境中無法穩(wěn)定控制光偏振態(tài)問題，實現(xiàn)傳感器抗強電磁干擾特性。

上述傳感器外殼011內(nèi)還可以設(shè)置有傳感艙012和器件艙013，所述振子結(jié)構(gòu)固定于傳感艙012內(nèi)，所述第一光纖耦合器051、第二光纖耦合器052及余長光纖042固定于器件艙013內(nèi)，所述傳感光路于傳感器外殼011外部光纖均設(shè)于光纖光纜061中。所述傳感器外殼011、彈性敏感元件031、質(zhì)量塊021、第一光纖耦合器051、第二光纖耦合器052、傳感光纖041、余長光纖042均由非金屬材料制作，確保傳感器在高電壓、大電流、高溫等電力工業(yè)環(huán)境中能夠安全工作。

參見附圖3及附圖4，本發(fā)明三維光纖加速度傳感器的一個實施例包括：

由傳感器外殼011、質(zhì)量塊021、彈性敏感元件031、傳感光纖041、余長光纖042、光纖耦合器051(052)、光纖光纜061構(gòu)成三維光纖加速度傳感器；

傳感器外殼011，用于三維光纖加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保護，分為傳感艙012和光器件艙013；

質(zhì)量塊021，其形狀為正方體，六個外壁上均設(shè)有安裝槽，用于固定彈性敏感元件031；

彈性敏感元件031，用于感受外界振動時質(zhì)量塊021產(chǎn)生的慣性力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥悦舾性?31的拉伸與壓縮形變；

傳感艙012，其形狀為正方體，六個內(nèi)壁上均設(shè)有安裝槽，用于固定彈性敏感元件031；

傳感光纖041，纏繞于彈性敏感元件031上，將彈性敏感元件031的拉伸與壓縮形變轉(zhuǎn)換為傳感光纖應(yīng)變變化；

其中，彈性敏感元件031一端通過安裝槽將其固定于質(zhì)量塊021外壁上，另一端通過安裝槽將其固定于傳感艙012內(nèi)壁上，質(zhì)量塊021位于傳感艙012的幾何中心位置，三對彈性敏感元件031分別沿三維軸向安裝于質(zhì)量塊021與傳感艙012之間，其中每一維方向上均有一個彈性敏感元件031纏繞傳感光纖041。

光纖耦合器051(052)，用于多路光纖的分束與合束，與傳感光纖041、法拉第磁旋鏡071連接形成改進型光纖馬赫-曾德干涉儀(參見附圖5)；

光器件艙013，用于固定安裝光纖耦合器051、052以及余長光纖042；

法拉第磁旋鏡071，連接于探頭部分的光纖光纜061，用于控制偏振衰落以及提供光反射；

解調(diào)儀081，連接于傳感器外部光纖光纜061，用于發(fā)射和接收光信號，并通過調(diào)制解調(diào)技術(shù)獲取傳感器感受的三維加速度信息；

上述方案中，傳感器外殼011、質(zhì)量塊021、彈性敏感元件031均選用特定非金屬材料加工制作，光纖耦合器051(052)采用非金屬2×2光纖耦合器，光纖光纜061選用不含金屬材質(zhì)的多芯光纖光纜，傳感器固定螺釘、密封膠及其他輔材也均為非金屬材質(zhì)，從而保證本發(fā)明在高電壓、大電流環(huán)境中的適應(yīng)性，以及良好的探測性能。

本發(fā)明可以帶來以下有益效果：

1.創(chuàng)新性地設(shè)計了改進型的光纖馬赫-曾德干涉儀光路。有別于傳統(tǒng)的基于馬赫-曾德干涉儀的光纖加速度傳感器，其法拉第磁旋鏡作為傳感器外部光器件，不受測試環(huán)境影響。這種光路設(shè)計既抑制了光纖殘余抖動與偏振衰落現(xiàn)象，又解決了法拉第磁旋鏡在強電磁場環(huán)境中無法穩(wěn)定控制偏振態(tài)的問題；

2.創(chuàng)新性地提出了三維光纖加速度傳感器材料完全非金屬化。選用彈性模量適合且耐疲勞性能良好的非金屬材料制作彈性體，選用不含金屬材質(zhì)的光器件，選用彈性模量大的非金屬材料制作質(zhì)量塊與傳感器外殼，從而保證傳感器在高電壓、大電流環(huán)境中的適應(yīng)性；

3.優(yōu)化設(shè)計了三維光纖加速度傳感器的力學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計共芯振動結(jié)構(gòu)，分別測量x、y、z三維方向的加速度信號，每一維方向上均采用改進型的光纖馬赫-曾德干涉儀光路結(jié)構(gòu)，設(shè)計獨立的傳感艙和光器件艙，提高傳感器制作便捷性、結(jié)構(gòu)緊湊性。

附圖說明

附圖1是邁克爾遜干涉型光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

附圖2是光纖光柵加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

附圖3是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

附圖4是本發(fā)明傳感艙的三維結(jié)構(gòu)示意圖

附圖5是本發(fā)明傳感光路示意圖

011：傳感器外殼012：傳感艙013：光器件艙021：質(zhì)量塊

031：彈性敏感元件041：傳感光纖042：余長光纖

051：第一光纖耦合器052：第二光纖耦合器061：光纖光纜

071：法拉第磁旋鏡081：解調(diào)儀

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明一種抗強電磁干擾的三維光纖加速度傳感器作進一步詳細地說明，但本發(fā)明不限于這一實施例：

本發(fā)明一種抗強電磁干擾的三維光纖加速度傳感器的工作機理是：當(dāng)傳感器受到加速度振動信號作用時，質(zhì)量塊021的慣性力將使彈性敏感元件031發(fā)生拉伸與壓縮形變，從而導(dǎo)致纏繞在彈性敏感元件031上的傳感光纖041產(chǎn)生與加速度振動相關(guān)的應(yīng)變變化，由改進型的光纖馬赫-曾德干涉儀將傳感光纖041的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為光相位變化。通過解調(diào)儀081獲取光相位，并標(biāo)定相位調(diào)制量隨被測加速度振動變化的曲線，就可實現(xiàn)加速度振動信號的實時檢測。

結(jié)合附圖3、4所示，本發(fā)明提供的一種抗強電磁干擾的三維光纖加速度傳感器一個實施例，包括傳感器外殼011、質(zhì)量塊021、彈性敏感元件031、傳感光纖041、余長光纖042、第一光纖耦合器051、第二光纖耦合器052、光纖光纜061。

作為本發(fā)明的一個實施例，所述傳感器外殼011材料選用耐高溫、耐腐蝕、電絕緣、彈性模量較大且機械加工性能好的pps塑料；

作為本發(fā)明的一個實施例，所述傳感器質(zhì)量塊021材料選用耐高溫、電絕緣、彈性模量大且密度較大的陶瓷；

作為本發(fā)明的一個實施例，所述傳感器彈性敏感元件031材料選用耐高溫、電絕緣、彈性模量適合且耐疲勞性能良好的聚砜樹脂；

作為本發(fā)明的一個實施例，所述傳感器傳感光纖041、余長光纖042選用小芯徑碳涂覆光纖；

作為本發(fā)明的一個實施例，所述傳感器第一光纖耦合器051及第二光纖耦合器052選用玻璃棒封裝的2×2光纖耦合器；

作為本發(fā)明的一個實施例，所述傳感器光纖光纜061選用四芯光纖光纜；

作為本發(fā)明的一個實施例，傳感器安裝過程為：首先將傳感光纖041以一定張力纏繞于彈性敏感元件031上，并用粘合劑固定；然后將三對彈性敏感元件031通過安裝槽三維軸向固定在質(zhì)量塊021的六個外壁上，且每一維方向上對應(yīng)的兩個彈性敏感元件031中，其中之一均纏繞有傳感光纖041；再將上述部分通過安裝槽固定在傳感器外殼011的傳感艙012內(nèi)，且質(zhì)量塊021位于傳感艙012的幾何中心位置，參見附圖4；然后將傳感艙012內(nèi)傳感光纖041兩端光纖引入傳感器外殼011的光器件艙013；接著將第一光纖耦合器051、第二光纖耦合器052、傳感光纖041、法拉第磁旋鏡071進行光纖連接，制作改進型光纖馬赫-曾德干涉儀，再將第一光纖耦合器051、第二光纖耦合器052以及余長光纖042固定在傳感器外殼011的光器件艙013內(nèi)，完成傳感器光路部分制作；最后將傳感器外殼蓋板、出纜孔等灌膠封裝，完成本發(fā)明一個實施例的制作。

以上所述一個實施例的實施方式僅用來說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可做出各種各樣的變型、變化或替換，因此所有等同類似的技術(shù)方案都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利保護范圍之內(nèi)。