CN108871199A - 一种基于光波幅值比的色散位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光波幅值比的色散位移传感器。该色散位移传感器包括通过光纤顺序连接的光源、环行器、色散物镜，探测单元再通过光纤与环行器连接，探测单元获得的数据输入至计算单元进行计算。该色散位移传感器的光源可发射包含有两个波长的光波，不同波长的光通过色散物镜后聚焦在两个不同距离的位置上，当被测物***置发生变化时，光探测器收到的两个波长光的相对强度也会相应发生变化，据此可以确定被测物体的位移。本发明的基于光波幅值比的色散位移传感器克服了色散共焦位移传感器因应用连续谱光源和线阵探测器而导致的测量速度低的不足，得到了一种高速的非接触位移传感器。
Description
技术领域
本发明属于几何量测量领域，具体涉及一种基于光波幅值比的色散位移传感器。
背景技术
位移测量是几何量测量的一个最基础项目，在工业生产、科学研究、日常生活中占有非常重要的地位。随着科学技术的发展，非接触式的位移测量需求越来越多，精度要求也越来越高。目前的非接触位移传感器按照工作原理主要分为电感式、电容式、光学式等。电感式和电容式位移传感器对被测对象的导电性能有一定的要求，而光学式位移传感器则对被测对象基本无要求，因此光学式位移传感器应用比较广泛。光学式位移传感器的工作原理主要分成能量法、三角法、色散共焦法等。
能量法位移传感器通过光纤出射和收集光能量，其原理是：当被测物体与光纤的距离发生变化时，光纤收集到的光能量也随之发生变化。能量法位移传感器装置简单、成本低，但是测量精度比较低，一般适用于对精度要求不高的情形。
三角法位移传感器通过出射光与反射光之间的三角关系来确定被测物体的移动情况。三角法位移传感器精度比较高，但是由于采用了三角关系原理，探测器、光源、镜头的空间排布需要满足一定的关系，因此传感器体积比较大，而且横向分辨率也比较低，测量精度易受反射光强的影响。
色散共焦位移传感器基于共焦显微原理，通过色散物镜得到不同距离的光聚焦点，被测物体把对应距离处的聚焦光和非聚焦杂光反射回来，在接收端设置微小的针孔过滤非聚焦的杂光，然后以光谱装置获得不同波长的光的强度，光强度最大的光的波长则对应着此时被测物体的位移，从而实现了快速、高分辨力的位移测量。色散共焦位移传感器的测头体积比较小，而且不受电磁环境影响，适应性比较强。但是，由于色散共焦位移传感器需要连续光谱光源提供照明，因此每个波长的平均能量比较低，测量速度比较快时信号的信噪比很低。此外，由于探测器需要获得很宽光波段的光能量信息，因此采用线阵CCD采集信号时，较大的像素数量就导致数据处理速度降低，进而影响了信号的采集速度。连续光谱照明和宽波段信号采集导致了色散共焦位移传感器的测量速度无法进一步提高，制约了传感器在高速测量场合的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光波幅值比的色散位移传感器。
本发明的基于光波幅值比的色散位移传感器，其特点是：所述的色散位移传感器包括通过光纤顺序连接的光源、环行器、色散物镜，探测单元再通过光纤与环行器连接，探测单元获得的数据输入至计算单元进行计算；
所述的探测单元为光谱探测器。
所述的光源为多波长的LED光源或半导体激光源。
所述的光纤为单模光纤或多模光纤。
所述的探测单元还可以替换为光谱分光元件和m个光谱探测器，m≥2，m个光谱探测器按照出射光的波长分别探测光谱分光元件的出射光。
所述的环行器还可以采用耦合器替换。
本发明的基于光波幅值比的色散位移传感器中的光源可以发射最少包含两个波长的光波，因为两个波长分布上的光能量比较强，所以得到的信号信噪比也比较高，而且对应采用了两个探测器，信号传输和处理速度可以得到非常大的提升。由于在光源和探测器方面的独特设计，本发明的基于光波幅值比的色散位移传感器能够实现很高的测量速度并同时保持高的信噪比，可满足科学研究、工业生产对位移高速测量的需求。
附图说明
图1为本发明的基于光波幅值比的色散位移传感器的结构示意图；
图2为本发明的基于光波幅值比的色散位移传感器中的探测单元的结构示意图；
图中，1.光源 3.环行器 5.色散物镜 6.被测物体 8.探测单元 9.光谱分光元件10.探测器Ⅰ 11.探测器Ⅱ 12.计算单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例的基于光波幅值比的色散位移传感器包括通过光纤顺序连接的光源1、环行器3、色散物镜5，探测单元8再通过光纤与环行器3连接，探测单元8获得的数据输入至计算单元12进行计算，被测物体6放置在色散物镜5的出射光一端；
如图2所示，所述的探测单元8为光谱探测器，包括光谱分光元件9和2个探测器，探测器Ⅰ10和探测器Ⅱ11按照出射光的波长分别探测光谱分光元件9的出射光。所述的光纤为单模光纤或多模光纤。
本实施例的光源1由半导体激光源组成，可发射包含有波长λ1=635nm和波长λ2=670nm的光，光谱分光元件9为反射型光栅，探测器Ⅰ10和探测器Ⅱ11分别放置在光栅一级衍射光对应于635nm和670nm波长的位置；光源1发出的包含有波长635nm和波长670nm的光通过光纤经环行器3传输至色散物镜5在靠近被测物体6的一端出射，出射之后，波长635nm和波长670nm的光会聚在色散物镜5的轴线上，轴向间距约100微米，经被测物体6反射后回到色散物镜5，通过光纤进入环行器3、探测单元8，含有波长635nm和波长670nm的光被光谱分光元件9分离，波长635nm的光进入探测器Ⅰ10，波长670nm的光进入探测器Ⅱ11，探测器Ⅰ10和探测器Ⅱ11分别同时记录波长635nm和波长670nm的光的强度I1、I2。
当被测物体6在色散物镜5的轴向上发生距离变化时，被反射回的两个波长的光的强度比值也发生变化。当被测物体6在波长635nm光的聚焦点附近时，返回的635nm波长光的强度I1大于670nm波长光的强度I2；反之，当被测物体6在波长670nm光的聚焦点附近时，返回的670nm波长光的强度I2大于635nm波长光的强度I1。这样，结合事先标定的数据，通过I1、I2就可计算被测物体的位移，具体包括以下步骤：
（1）计算探测器Ⅰ10和探测器Ⅱ11记录的波长635nm和波长670nm的光的强度比值R=I1/I2；
（2）根据预先标定的参数a 0、a 1、a 2、…、a N，计算被测对象的位移。
由于激光的能量集中性，本实施例在色散物镜靠近物体的一侧得到亮度非常大的聚焦斑，所采用的探测器采样频率可达到150kHz，远超过采用连续光谱的传感器。
本实施例的m=2，可以通过增加半导体激光源的数量，提高m的数值，使m≥3，m≥3的数据处理方法如下：
假设有m≥3种波长的光，探测单元记录各个波长光的强度为，结合事先标定的数据，通过就可计算被测物体的位移，具体包括以下步骤：
（1）计算光强度的比值为；
（2）根据预先标定的参数，计算被测对象的位移。
实施例2
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，所述的光源1为多波长的LED光源，所述的环行器3替换为耦合器，所述的探测单元8为多波长光谱探测器。
Claims (5)
1.一种基于光波幅值比的色散位移传感器，其特征在于：所述的色散位移传感器包括通过光纤顺序连接的光源（1）、环行器（3）、色散物镜（5），探测单元（8）再通过光纤与环行器（3）连接，探测单元（8）获得的数据输入至计算单元（12）进行计算。
2.根据权利要求1所述的基于光波幅值比的色散位移传感器，其特征在于：所述的光源（1）为多波长的LED光源或半导体激光源。
3.根据权利要求1所述的基于光波幅值比的色散位移传感器，其特征在于，所述的光纤为单模光纤或多模光纤。
4.根据权利要求1所述的基于光波幅值比的色散位移传感器，其特征在于：所述的探测单元（8）包括光谱分光元件（9）和m个光谱探测器，m≥2，m个光谱探测器按照出射光的波长分别探测光谱分光元件（9）的出射光。
5.根据权利要求1所述的基于光波幅值比的色散位移传感器，其特征在于：所述的环行器（3）采用耦合器替换。
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