CN106940174A - 一种基于光纤声光调制的测量扭转与位移的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤声光扭转与位移传感器,具体涉及一种基于在少模或者多模光纤上架设声光调制器的扭转与位移传感器。本发明涉及的是一种光纤声光扭转与位移传感器,具体涉及一种基于在少模或者多模光纤上架设声光调制器的扭转与位移传感器。本发明的目的是克服建筑结构安全与内部伤害探测中的轴线角度扭转与微位移传感器现有技术中存在的不足之处,提供一种适用于微空间危环境的光纤声光扭转与位移传感器。通过光纤声光调制器在同一根少模光纤中传输具有不同模式的探测光,探测光根据被测物不同的角度扭转与微位移位移量转变为图像监测捕捉***的旋转量与位移量,由图像识别算法实现动态监控。本发明能在危环境同时测量被测物轴向扭转与三维微位移,并且不具有温度与轴向应变的交叉敏感性,能够由低成本的图像识别***搭建。

Description

一种基于光纤声光调制的测量扭转与位移的传感器
技术领域
本发明涉及的是一种光纤声光扭转与位移传感器,尤其涉及一种基于在少模或者多模光纤上架设声光调制器的扭转与位移传感器。
背景技术
随着大型基础建设(例如桥梁,水电站,公路与铁路等),智能建筑,机械器件与高危环境建筑(例如化学药品仓库,储油库与核电站等)的不断发展,对于建筑结构安全与内部伤害探测的需求急剧增长。其中轴线角度扭转与空间三维上微位移是检测建筑结构损伤与内部安全的重要指标。由于受到空间尺度狭小的限制,传统的采用大面积接触传感器无法将传感头放入建筑体内部,导致无法直接检测建筑内部的损伤与安全情况。
传统的小型光纤传感器可以放入建筑内部缝隙中解决空间尺度狭小限制的问题。但是在高危环境建筑(例如火电厂内部)不能将传感信息通过有线连接传输出来,所以存在传统使用电缆或者光纤的有线传输传感***与无法经受苛刻环境(例如高温与腐蚀环境)的无线电传输方式都难以解决信号传输问题。
传统的光纤传感器的传输头一般只能传输单个参量,如果要实现同时传输扭转与微位移需要更换传输头甚至传输***。
传统的光纤传感器一般使用光谱测量法即测量输出光的光谱的波长与幅度的变化,而光谱测量接收器价格较高,所以不适合降低整个传感器的成本。
传统的角度扭转与传统的不仅对扭转与位移敏感而且对环境的温度与光纤轴向的应力也很敏感,这种交叉敏感性导致输出端对扭转与位移的传感不精确。
传统的光纤传感器一般使用光谱测量法即测量输出光的光谱的波长与幅度的变化,而光谱测量接收器处理方法复杂速度慢且价格较高,所以难以达到高速动态监控并且不适合降低整个传感器的成本。
因此对于理想的建筑结构安全与内部伤害探测中的轴线角度扭转与微位移传感器应该达到:1.小型的传感部位;2.传感器的数据传输***能在苛刻环境将数据传输到监控端;3.同一个传感器能同时测量扭转与微位移;4.传感信号处理部分能被轻易廉价地实现;5.传感器不应该对外界环境有交叉敏感性;6.微位移传感器能进行三维空间位移传感。
发明内容
本发明的目的是克服建筑结构安全与内部伤害探测中的轴线角度扭转与微位移传感器现有技术中存在的不足之处,提供一种适用于微空间危环境的光纤声光扭转与位移传感器。通过光纤声光调制器在同一根少模光纤中传输具有不同模式的探测光,探测光根据被测物不同的角度扭转与微位移位移量转变为CCD图像捕捉***的旋转量与位移量,由图像识别算法实现对被测物的轴向扭转角度与三维微位移的测量与动态监控。
本发明的技术方案是:一种基于本发明的技术方案是:一种光纤声光扭转与位移传感器,包括激光器,声光调制器(如声光调制晶体或压电陶瓷声光调制器),信号发生器,电线,数据传输线,光纤,少摸光纤(二模式光纤或少模式光纤或多摸式光纤),变焦准直装置(变焦准直透镜或者变焦显微物镜),图像检测器(CCD或CMOS),数据处理器(电脑或者DSP处理器)和被测物体;将激光器的激光输入进光纤,光纤直接与少摸光纤连接,将少模光纤放置在声光调制器上,将信号发生器的信号通过电线传输给声光调制器,然后将少模光纤的末尾与准直装置连接,其中少模光纤的末尾与准直装置组成传感头,并将传感头放置于被测物中,然后少模光纤中的光通过变焦准直装置被发射到图像检测器中,图像检测器通过数据传输线将图像信息传输给数据处理器,数据处理器通过判断图像检测器中图像的变化来检测被测物的角度扭转与微位移。
以上方案中,信号发生器将不同频率信号发送给声光调制器使得声光调制器将光纤中的模式转变成不同形状的模式;当信号发生器将合适频率合适强度的信号发送给声光调制器使得声光调制器将光纤中的模式转变成非圆对称模式时,被测物体的扭转会使得二阶非圆对称模式跟着扭转,数据处理器只要计算图像检测器中非圆对称模式光斑的扭转角就能求出被测物体的扭转角;当被测物体进行垂直于光传输方向的xy平面移动时,图像检测器中的光斑也会在xy平面移动,数据处理器只要计算图像检测器中光斑的xy平面移动就能求出被测物体平面微位移;当被测物体进行平行与光传输方向的z向移动时,图像检测器中的光斑会随着z向移动而变大或变小,数据处理器只要计算图像检测器中光斑的大小就能求出被测物体z向微位移;当光纤中传输的是圆对称模式(光纤的基模或者高阶圆对称模式)时,数据处理器对于图像检测器中光斑xy平面移动与光斑大小的判段很容易并且对扭转不敏感。
本发明的主要技术原理是:1.激光器发出的激光能被相对应波段的图像检测器接收到,比如:650nm-690nm的激光器发出的激光能被可见光CMOS接收到,c波段的通信激光器发出的激光能被c波段CCD接收到;2.声光调制器通过加载不同频率的信号能将光纤中输入的模式转变为不同形状的模式,比如:可以使光纤中输入的LP01圆形基模转变为LP11双瓣二阶模,也可以使光纤中输入的LP01圆形基模不变;3.少模光纤支持多个模式的传输;4.由少模光纤末尾与准直装置组成传感头可以使加载着传感信息的传感光以空间无线的方式传输到图像检测器;5.变焦装置可以使得光的焦距可调节即令图像检测器接收到的光斑可调,将图像检测器接收到的光斑调大可以提高传感器的精度,将图像检测器接收到的光斑调小可以增加传感器在xy方向上的传感范围;6.光在自由空间传输会放大光斑,即会将建筑的微位移放大,增加了传感器的灵敏度。
与现有技术相比本发明的优点在于:1.由光纤和聚焦透镜组成的传感头体积和面积小,容易镶嵌与被测物中;2.传感头将加载着传感信号的光空间无线传输给后端的图像检测器,传输过程中中无需线路且抗高温抗腐蚀;3.同一个传感器能同时测量扭转与微位移;4.当信号发生器将合适频率信号发送给声光调制器使得声光调制器将光纤中的模式转变成非圆对称模式时,因为非圆对称形状对轴向旋转更敏感,所以数据处理器可以提高扭转传感的灵敏度;5.当信号发生器将合适频率信号发送给声光调制器使得声光调制器将光纤中的模式转变成圆对称模式时,因为圆对称形状更容易被数据处理器处理,所以数据处理器可以提高对微位移传感的运算速度;6.调节变焦直装置可以改变传感精度与范围;7.利用图像检测器监测光斑传感的方式比光谱监测方式的速度更快,***更廉价更容易被搭建,可以对被测物进行动态监控;8.光纤光斑对温度和轴线应力不敏感,抗交叉敏感性强;9.传感器中扭转与三个维度的位移传感没有交叉敏感性,因为这四个变量的传感原理不一样,数据处理器对它们进行独立四种计算;10.微位移传感器能进行三维空间位移传感。
附图说明
图1是光纤声光扭转与位移传感器的结构示意图。
图2是光纤模式光斑分布示意图。
在上述的附图中,1表示激光器,2单模光纤,3二模光纤,4表示压电陶瓷声光调制器,5和13表示电线,6表示微波信号发生器,7表示被测物体,8表示二模光纤末端,9表示变焦准直透镜,10表示传输光束,11表示CCD相机,12表示数据处理器,14表示旋转0度的LP11模式,15表示旋转30度的LP11模式,16表示x轴偏移0微米的LP01模式,17表示x轴偏移20微米的LP01模式,18表示z轴偏移0微米的LP01模式,19表示z轴偏移10微米的LP01模式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
一种基于光纤声光调制的测量扭转与位移的传感器(参见图1)包括激光器1、单模光纤2、二模光纤3、压电陶瓷声光调制器4、电线5和13、微波信号发生器6、被测物体7、二模光纤末端8、变焦准直透镜9、传输光束10、CCD相机11和数据处理器12;其中激光器1直接与单模光纤2相连,单模光纤2直接与二模光纤3相连,二模光纤3紧紧贴在压电陶瓷声光调制器4上,压电陶瓷声光调制器4通过电线5与微波信号发生器6相连,二模光纤末端8与变焦准直透镜9相连形成传感头附着在被测物体7上,变焦准直透镜9发出传输光束10,传输光束10被CCD相机11直接接收,CCD相机11的数据通过电线13传输到数据处理器12。
本发明的工作实例过程如下(参见图1、图2):
将由二模光纤末端8和变焦准直透镜9组成传感头放入并紧紧贴在被测物体7中,调整变焦准直透镜9和CCD相机11使得传输光束13在CCD相机11中光斑处于合适大小合适位置;打开激光器1,使得单模光纤2中激发出LP01基模并传输进二模光纤3;打开并调节微波信号发生器6使其发出微波信号使得压电陶瓷声光调制器4将声波信号加载到二模光纤3上使得二模光纤3将LP01基模16转变成LP11二阶模14;LP11二阶模传输到二模光纤末端8并经过变焦准直透镜9转变成平行传输光束10;当被测物体7进行轴向扭转时二模光纤末端8也同时进行相同的轴向扭转30度时,LP11二阶模14也进行扭转至LP11二阶模15;传输光束10携带光斑分布信息传输至CCD相机11,CCD相机11将数据传输到数据处理器12,数据处理器12利用图像识别算法计算出LP11旋转30度二阶模15与未旋转LP11二阶模14之间的度数差值;将微波信号发生器6关闭,使得二模光纤3上的光纤模式重新变回LP01基模16;当被测物体7进行x轴向位移20微米时二模光纤末端8也同时进行相同的x轴向位移,LP01基模16也进行位移至LP01基模17;传输光束10携带光斑分布信息传输至CCD相机11,CCD相机11将数据传输到数据处理器12,数据处理器12利用图像识别算法计算出x轴20微米位移的LP01基模17与未位移的LP01基模16之间的移动间距;y轴位移测量的方法同上;使用LP01基模18传输至二模光纤末端8;当被测物体7进行z轴向位移10微米时二模光纤末端8也同时进行相同的z轴向位移,使得CCD相机11上的LP01基模18光斑变大成LP01基模19;数据处理器12利用图像识别算法计算出z轴10微米位移的LP01基模19与未位移的LP01基模18之间面积之差而求出z轴位移。
优先选择LP11二阶模14作为扭转的传输光,因为LP11二阶模14具有非圆对称性对扭转敏感,数据处理器12只需要每次计算LP11二阶模14之间的双瓣差值就能求出扭转角度。
优先选择LP01基模16作为x轴y轴位移的传输光,因为LP01基模16具有圆对称性对扭转不敏感并且易于计算,数据处理器12只需要每次计算LP01基模16的位移差值就能求出x轴y轴位移距离。
优先选择LP01基模18作为位移的传输光,因为LP01基模18具有圆对称性对扭转不敏感并且易于计算,数据处理器12只需要每次计算LP01基模18的面积差值就能求出z轴位移距离。
二模光纤末端8和变焦准直透镜9组成的传感头需要与被测物体保持相对固定,以保证***的精度与稳定性。
本实例中激光器1可以选择320nm-690nm可见光激光器、690nm-1310nm红外激光器或1529nm-1609nm通信激光器;CCD相机11可以选用相对应波段的CCD感应设备,也可以被替换为相对应波段的CMOS感应设备。
本实例中压电陶瓷声光调制器4可以被其他声光调制设备如声光调制晶体代替,声光调制设备的调制电路微波信号发生器6可以被其他电路调制设备替换如交流信号发生器或交流信号放大器。
本实例中二模光纤3可以被其他支持非对称传输模式的光纤代替如多模式光纤或椭圆光纤。
本实例中数据处理器12可以被其他图像处理设备代替如电脑。
以上仅为本发明实施例中一个较佳的实施方案。本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。但是,本发明并不限于上述实施方案,凡按本发明方案所做的任何均等变化和修饰,所产生的功能作用未超出本方案的范围时,均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤声光扭转与位移传感器,其特征在于:包括激光器(1)、单模光纤(2)、少模光纤(3)、声光调制器(4)、电线(5)和(13)、信号发生器(6)、被测物体(7)、少光纤末端(8)、变焦准直装置(9)、传输光束(10)、图像检测器(11)和数据处理器(12);其中激光器(1)直接与单模光纤(2)相连,单模光纤(2)直接与少模光纤(3)相连,少模光纤(3)紧紧贴在声光调制器(4)上,声光调制器(4)通过电线(5)与信号发生器(6)相连,少光纤末端(8)与变焦准直装置(9)相连形成传感头附着在被测物体(7)上,变焦准直装置(9)发出传输光束(10),传输光束(10)被图像检测器(11)直接接收,图像检测器(11)的数据通过电线(13)传输到数据处理器(12)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤声光扭转与位移传感器,其特征在于:激光器(1)与图像检测器(11)能选用工作在320nm-690nm、690nm-1310nm、1529nm-1609nm或2微米-3微米波段的仪器;图像检测器(11)能选为CCD相机或CMOS相机。
3.根据权利要求1和2所述的一种光纤声光扭转与位移传感器,其特征在于:在激光器(1)与图像检测器(11)工作的波段上,声光调制器(4)将单模光纤(2)所传输的基模转化为多个模式,少模光纤(3)能传输被声光调制器(4)转化出的多个模式,包括圆对称基模与非圆对称高阶模式:圆对称基模与非圆对称高阶模式通过少模光纤(3)、少光纤末端(8)和变焦准直装置(9)传输到图像检测器(11);少模光纤为能传输非圆对称模式的二模式光纤、少模式光纤、多模式光纤或椭圆光纤。
4.根据权利要求3所述的一种光纤声光扭转与位移传感器,其特征在于:附着在被测物体(7)上的少光纤末端(8)中圆对称基模和非圆对称高阶模式在垂直于光传输的xy平面的移动产生的光斑变化被用于检测被测物体(7)的xy平面微位移,而平行于传输的z方向的光斑变化被用于检测被测物体(7)的z方向微位移。
5.根据权利要求3所述的一种光纤声光扭转与位移传感器,其特征在于:附着在被测物体(7)上的少光纤末端(8)中非圆对称高阶模式沿轴向扭转产生的光斑扭转被用于检测被测物体(7)的轴向扭转微位移。
6.根据权利要求1和2所述的一种光纤声光扭转与位移传感器,其特征在于:变焦准直装置(9)可以改变照在图像检测器(11)上的光斑大小,如果改变变焦准直装置(9)的焦距使图像检测器(11)上的光斑变大可以增强扭转与位移传感器精度,如果改变变焦准直装置(9)的焦距使图像检测器(11)上的光斑变小可以增加xy平面位移传感的范围。
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