一种改进的双路Fabry-Perot干涉式加速度计

　　加速度测量是工程测试的热点之一, 实现加速度测量的加速度计种类很多[ 2, 3] , 既有微机电式加速度计, 也有光纤式加速度计。但对于工程上对超低频微弱的振动加速度信号的测试现行的加速度计很难胜任, 文献[ 1] 提出了一种具有很高分辨率的双路Fabry-Perot 干涉式加速度计, 用来进行微弱低频振动信号的测试, 但其重复性非常差, 不能满足工程测试的需要, 为此, 本文提出了一种改进的双路Fabry- Perot 干涉式加速度计, 其结构见图1。

　　1 系统框图与系统原理

　　He-Ne 激光器发出单色光, 先经过光隔离器( 避免发射光射回He-Ne 激光器) 再经过凸透镜耦合进光纤, 单色光在经耦合器分成四束光, 其中两束光被匹配液吸收掉, 不再返回系统。另外两束光分别经过上下两个传感头的F-P 反射腔返回, 这两束带有被测信号的光分别经过PD1 和PD2 光电转换器转换成电信号。两个电信号经过放大器后, 滤波,再进行信号处理, 最后进行显示。PZT 和微调电压用来调节初始相位。

　　2 工作原理

　　由多光束干涉理论, 反射光强为

　　把式( 5) 和式( 6) 代入式( 1) , 并且两束光经光电探测器转换成两个电流信号后, 两个电流信号取差得:

　　3 实验

　　实验采用直径30 mm, 厚度1 mm 的圆片状PZT-5 压电陶瓷作为被测振动源, 经中国计量科学院标定, 给陶瓷片与驱动电压关系如表1 所示:

　　根据PZT-5 压电陶瓷的性质, 可得出其加速度的幅值与驱动电压的关系为:

　　把表中的数值代入式( 8) , 解之得, 可以求出K 1和K 2 的值, 分别为:

　　图3 和图4 分别为在10 V 和200 V 的驱动电压下的输出波形。

　　调节微调电压到另一值, 以调节PZT 来控制一个F-P 腔的腔长, 分别在幅值为10 V 和300 V 时的输出结果分别为图( 5) 和图( 6) 。四个图中, 上面曲线为正弦信号曲线, 下面曲线为信号处理后输出曲线。横坐标为时间t, 纵坐标为振幅。

　　4 结 论

　　由于采用双路干涉的光学测量机制形成差动式的光电检测模式, 有效地抵消和平衡了光纤的热膨胀效应和声学噪声以及光纤的张力变化而产生的干扰信号, 提高了加速度的灵敏度, 测量灵敏度提高2倍。本系统用PZT 和微调电压源来调节某个F-P腔的腔长, 以得到较高的测量信号幅值。

　　参考文献:

　　[ 1] 李志全, 强锡富等, 双路Fabry-Perot 干涉式加速度计的研究[ J] . 仪器仪表学报, 1997 12 Vol . 18, 613-616.

　　[ 2 ] Seidel et al H, Capacit ive Silicon Accelerom et er w ith H ighl ySymm ert ical Design [ J] . Sensors an d Actuat ors, 1990, A21~ A23: 312~ 315.