[發(fā)明專利]一種基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測量方法

無效

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• 申請日: 2010-04-28
• 公開（公告）號: CN101799282A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙勇
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光纖角位移傳感器及測量方法，屬于物理學(xué)、光學(xué)、光電子學(xué)、精密儀器及檢測技術(shù)專業(yè)教學(xué)實驗儀器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的角位移測量方法主要有機械測量、電磁測量和光學(xué)測量三種方法。其中機械測量方法自動化程度較低，電磁測量方法抗電磁干擾能力較弱；相比之下，由于光學(xué)檢測技術(shù)具有快速、精度和靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點而使其在傾斜角度測量領(lǐng)域受到眾多研究機構(gòu)和工業(yè)界的青睞。例如[Fang?Xiaoyong，Cao?Maosheng，“Theoretical?analysis?of?2Dlaser?angle?sensor?and?several?design?parameters”，Optics?and?Laser?Technology，34(3)，225-229(2002)]，利用直角棱錐的分光技術(shù)，把入射光分成幾組相互垂直的衍射光，利用干涉條紋的位置變化實現(xiàn)傾斜角度測量。

目前利用光學(xué)法測量傾斜角度的方法大多需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較昂貴的儀器，而且測量系統(tǒng)的體積較大。香港學(xué)者[Bai-OuGuan，Hwa-Yaw?Tam，Shun-Yee?Liu，“Temperature-Independent?Fiber?Bragg?Grating?Tilt?Sensor”，IEEE?Photonics?TechnologyLetters，16(1)，224-226(2004)]提出了一種基于光纖光柵傳感原理的傾斜角度測量方法，和傳統(tǒng)的激光測量方法相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成本有所改善，但這種方法依然存在以下技術(shù)問題和缺陷：①光纖光柵沒有附著在任何載體上而直接受力，容易發(fā)生斷裂；②沒有采用溫度補償措施，使系統(tǒng)容易受環(huán)境溫度影響；③系統(tǒng)需要使用額外的解調(diào)裝置才能進行測量，從而增加了光纖光柵的使用數(shù)量、系統(tǒng)的體積和成本；④光源光強變化會影響測量結(jié)果。⑤需要將傳感器置于被測傾斜物之上，屬于接觸式測量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足之處，采用由十字型排列的兩排光纖陣列構(gòu)成的十字形探頭結(jié)構(gòu)，各接收光纖接收光強隨被測角位移改變，通過對各光纖接收光強進行高斯擬合確定反射光斑中心位置，進而得到被測角位移?？梢杂行砻娣瓷湎禂?shù)變化、光源波動以及雜散光對測量結(jié)果的影響，提高測量線性度和魯棒性。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測量方法，包括光源系統(tǒng)、傳感器單元和信號處理單元，所述的傳感器單元包括入射光纖、含光纖陣列的傳感器探頭、光電接收器CCD；所述的光纖陣列由13根光纖按十字形排列；所述的入射光纖為普通單模通信光纖，一端與光源相連，另一端位于傳感器探頭中光纖陣列的中心位置；光纖陳列中的其它12根光纖都是多模光纖，并以入射光纖為中心，按十字形均勻分布排列在入射光纖周圍，作為接收光纖組，接收被測角位移引起的反射光信號，它們的另一端與光電接收器CCD相連；所述的光電接收器CCD與所述的信號處理單元相連。

本發(fā)明所述的光源采用中心波長為650nm的LD激光光源，所述的單模發(fā)射光纖纖芯/包層直徑為9μm/125μm，多模接收光纖纖芯/包層直徑為62.5μm/125μm。所述的CCD為低暗電流的，信噪比為56dB。所述的光纖陣列中光纖之間的間距為135μm。

本發(fā)明具有如下特點：①可以實現(xiàn)二維的微角位移測量。②由于是利用光斑位置變化實現(xiàn)測量，因此避免了光源波動、光纖擾動等對傳感器測量特性的影響。③裝置結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計新穎、成本較低、實用性強、易于普及。④傳感器探頭中的光纖陣列采用單模光纖作為發(fā)射光纖，多模光纖作為接收光纖，提高了測量的橫向分辨力和信噪比。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的十字形光纖陣列探頭的角位移測量系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明中光斑中心與接收光纖之間的位置關(guān)系示意圖。

圖3為利用本發(fā)明的微角位移傳感器探頭光路圖。

圖4為利用本發(fā)明的角位移與光斑中心位置關(guān)系仿真圖。

圖5為利用本發(fā)明實驗測得的各光纖接收最大光強結(jié)果。

圖6為利用本發(fā)明補償方法前角位移變化時各光纖接收光強高斯擬合曲線。

圖7為利用本發(fā)明補償方法后角位移變化時各光纖接收光強高斯擬合曲線。

圖8為利用本發(fā)明補償方法前接收光斑中心位置隨角位移變化曲線。

圖9為利用本發(fā)明補償方法后接收光斑中心位置隨角位移變化曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及測量過程作進一步的說明。