[發明專利]全光纖干涉型轉鏡轉速傳感器

無效

• 申請號: 200810044588.5
• 申請日: 2008-04-11
• 公開（公告）號: CN101276139A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 張利勛;劉永智;彭增壽;代志勇;歐中華
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G03B39/00
• 分類號: G03B39/00;G02B6/26;G01P3/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光纖傳感器技術領域，它特別涉及全光纖干涉型轉鏡轉速傳感器。

背景技術

轉鏡式高速攝影機有納秒級的時間分辨本領，良好的空間分辨率，還有與被攝目標可以準確同步、使用可靠、操作簡單等其他優點。因此它在高速攝影儀器中占據重要的地位，被廣泛應用于爆炸力學、高壓物理、實驗室等離子體、火花放電、新型激光光源和激光光譜學等領域的研究(見譚顯祥，光學高速攝影側試技術，第一版，科學出版社，1990年)。實驗測試工作中，轉鏡相機主要用于測量被攝事件各部分間的微小時間差異或幾個獨立事件之間的時間間隔。相機像面上的掃描速度是時間測量的基準。轉鏡式高速相機同步與速度傳感器組件是轉鏡式高速相機的關鍵部件，其任務是完成轉鏡旋轉速度和所處位置的信號傳感，使轉鏡式高速相機的控制系統能在此基礎上發出控制指令，使轉鏡式高速相機完成拍攝任務(滿光明，葉玉堂等.高速轉鏡相機轉速測量的同步傳感系統.強激光與粒子束，2006，Vol.18，No.1：11-14)。

相機基本結構如圖1所示。被攝目標經透鏡組、夾縫和轉鏡后成像在膠片面上。轉鏡轉動過程中，被攝目標隨時間的變化現象以二維圖像的形式在膠片上表現出來。由于轉鏡式高速攝影機中采用的反射鏡都有一定的厚度，隨著轉鏡的旋轉，反射后的像在膠片面上表現為非勻速運動，像的軌跡是一條Pascal蝸線，掃描速度方程為v＝2Lω(1+a/Lcos(θ))(1)其中L為相機的結構常量，a為轉鏡厚度的1/2，θ為入射主光軸與鏡面法線之間的夾角。v為轉鏡的角速度。

現代科學實驗對時間信息的測量提出了極為嚴格的要求，對于高速轉鏡相機而言，其像面上的掃描速度是時間測量的基準，為準確地分析相關物理現象，不僅需要精確地測量轉鏡的轉速，還要準確地測定轉鏡旋轉一周內的掃描速度。目前常常通過測量相機轉鏡角速度ω的方法，再由公式(1)間接得到像面上的掃描線速度v。此外，相機還需要一個精確的同步信號，以提高相機控制系統的精確度。同步信號可以采用速度傳感中的一路信號，容易實現。

采用傳統的相機傳感器，如轉鏡角速度光電傳感器、轉鏡角速度磁場傳感器，在測量精度及機械穩定性上都不理想。轉軸角速度光電傳感器如圖2所示。該光電傳感器實現方法是在轉鏡轉軸上打孔，轉軸一端固定激光器，另一端固定光探測器。轉鏡每轉動半周，孔的軸心方向和激光束方向平行，探測器便會輸出一個脈沖信號，該脈沖經過放大、整形后，求出相鄰兩脈沖的時間間隔ΔT，從而轉鏡角速度ω＝π/ΔT。這種方法在實際應用中，如果孔太小，則轉鏡的抖動會造成探測器接收不到光脈沖；如擴大孔徑，脈沖上升沿的漂移就會變得嚴重。同時如果該方法所使用的探測器光敏面較小，轉鏡的抖動可能會造成探測器接收不到光信號，所以要采用光敏面較大的探測器，這又會降低探測器的光響應速率，因而傳感精度較低。此外，激光器和探測器都需要安裝在靠近轉軸的地方，轉鏡需要潤滑油，高速轉動過程中，光路很容易受到污染，造成系統工作不穩定。

轉鏡磁場傳感器的實現方法是在轉鏡轉軸上打孔，孔內固定一個良磁體，在轉軸附近安裝有感應線圈。轉鏡在轉動過程中，磁體跟隨轉軸旋轉，轉鏡每轉過一周，感應線圈內便會產生一個交變電流信號。同樣，轉鏡角速度通過ω＝2π/ΔT求得。這種方法有很多弊端，因為轉鏡需要通過特種高速電機來驅動，因而在應用中該傳感系統會給電機磁場帶來干擾，同時傳感器本身會受到外界的電磁干擾，導致測試結果誤差較大；另外，通過磁場感應所獲得的信號，其上升沿變化緩慢，“信號已到”的判別，誤差就會較大；再者，轉鏡轉軸本身直徑比較小，安裝該傳感系統后將會降低轉鏡的機械穩定度。該系統難以滿足現代科技對目標瞬變現象時間精度的嚴格要求。由于種種原因，高速旋轉狀態下的轉鏡，其速度不可避免地產生一定的波動，采用上述兩種方法，至少也是在轉鏡旋轉半周后傳感器才會獲得一個信號，即只能得轉鏡的轉速，而不能測量轉鏡旋轉一周內的掃描速度，且轉速測量的不確定度只有千分之三，得到的測量結果不能滿足現代科學分析對時間精度的需求。此外，在轉鏡相機中，為了機械加工的方便，膠片面采用與蝸線密合的圓周線代替蝸線，這意味著式(1)中的v僅是膠片面上掃描線速度的一個近似值，所以測量結果存較大的偏差。為了克服傳統的相機傳感器測量結果精度低等缺陷，中國發明專利(02133995.3，一種測量掃描式轉鏡高速攝影機瞬時掃描速度的方法)將激光成像在膠片邊緣，然后手工測量像點之間距離，費時費工，精度有一定程度的提高。

發明內容