CN109084869A - 高精度光纤天平*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对温度不敏感，多路复用，成本低廉，性能稳定，能够提高计量精度的高精度光纤天平***。该高精度光纤天平***，包括宽光谱光源、光电探测器、光纤耦合器、第一光纤跳线、第二光纤跳线、扫描位移台、光纤天平；所述光纤天平包括托盘、支撑柱、平衡螺母、标尺、游码、反射镜固定装置、光纤自聚焦固定装置、上平衡梁、下平衡梁、光纤适配器、中支撑柱、封装壳、底座。采用该高精度光纤天平***，能够在强电磁干扰、易燃易爆、高温高压环境下工作；可以与光纤传输***组成遥测网络，实现远程实时监测与测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种高精度光纤天平***。
背景技术
众所周知的：天平属于精密计量器具，也正因为其具有性能稳定，价格便宜，坚固耐用，维修方便等特点，天平在工矿企业、科研院所和学校的生物、化学、医学实验室得到广泛应用。
校准及回零对天平的测量结果具有十分重要的影响罗志东.天平回零不好可能对测量结果产生重大影响[J].计量与测试技术,2018,45(03):82-84+87.，对于机械天平而言，其理论测量精度最高可达到0.0001g，然而无论是检定校准还是对比称量，仅仅依靠人眼对指针刻度进行读取终究会有误差。电子天平的应用虽然解决了刻度读取问题，但是对于如此精密的计量仪器，其内部传感器和电路在工作过程中的温度影响,仪器随工作时间而产生的某些参数的变化,以及电磁干扰等环境因素的影响,都会使电子天平产生误差滕召胜,郁文贤,夏胜平.电子分析天平温漂与时漂的自动补偿[J].国防科技大学学报,2000(03):6-10.。
由于天平在各行各业都占有十分重要的地位，积极研发一种新型的抗强电磁干扰、温度不敏感、性能稳定的高精度天平是十分有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对温度不敏感，多路复用，成本低廉，性能稳定，能够提高计量精度的高精度光纤天平***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高精度光纤天平***，包括宽光谱光源、光电探测器、光纤耦合器、第一光纤跳线、第二光纤跳线、扫描位移台、光纤天平；
所述光纤天平包括托盘、支撑柱、平衡螺母、标尺、游码、反射镜固定装置、光纤自聚焦固定装置、上平衡梁、下平衡梁、光纤适配器、中支撑柱、封装壳、底座；
所述底座的中间位置设置有中支撑柱，所述中支撑柱上设置有上平衡梁、下平衡梁；所述上平衡梁的中间位置以及下平衡梁的中间位置均与中支撑柱铰接；所述上平衡梁两端均设置有平衡螺母；
所述上平衡梁的两端均设置有竖向的支撑柱，所述支撑柱与上平衡梁铰接；所述支撑柱的下端与下平衡梁铰接，所述支撑柱的上端设置有托盘；
所述上平衡梁上设置有横向的标尺，所述游码滑动安装在标尺上；
所述支撑柱的底端设置有反射镜固定装置；所述反光镜固定装置的正下方设置有光纤自聚焦固定装置；所述光纤自聚焦固定装置固定安装在底座上；
所述封装壳将上平衡梁下方的结构密封；所述封装壳上设置有光纤适配器，所述光纤自聚焦固定装置通过光纤与光纤适配器连接；
所述光纤耦合器具有a、b、c、d接口端；所述扫描位移台上设置有第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜；
所述光谱光源和光电探测器分别与光纤耦合器的a端和b端相连，c端和d端分别连接第一光纤跳线和第一自聚焦透镜，第一光纤跳线的另一端与光纤天平中的光纤适配器相连；所述第一自聚焦透镜与第二自聚焦透镜对准且均安装在扫描位移台上，第二自聚焦透镜位置固定；所述第一自聚焦透镜可调节位置，第二自聚焦透镜通过第二光纤跳线连接到光纤适配器。
进一步的，所述的光纤自聚焦透镜固定装置包括光纤自聚焦透镜、第二调角螺丝、橡胶圈、固定座；所述固定座上设置有聚焦透镜安装座，所述橡胶圈位于固定座与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝的一端依次穿过法兰、橡胶圈***到固定座内，且与固定座螺纹配合。
进一步的，所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝；所述光纤自聚焦透镜安装在安装凸台顶部。
本发明的有益效果是：本发明所述的高精度光纤天平***，具有以下优点：
1)本发明所述的高精度光纤天平***，使得有源与无源器件相互分离设计使其能够在强电磁干扰、易燃易爆、高温高压环境下工作。
2)本发明所述的高精度光纤天平***，可以与光纤传输***组成遥测网络，实现远程实时监测与测量。
3)本发明所述的高精度光纤天平***，由于采用光纤将天平两端托盘的位于转化为光谱；从而使得天平具有对温度不敏感，多路复用，成本低廉，性能稳定的优点。温度误差仅来源于扫描位移台上宽谱光的空间传输，但其传输距离不会超过15cm，所以温度带来的误差可以忽略不计。
4)本发明所述的高精度光纤天平***，多个光纤天平可共同使用一套宽光谱光源、光电探测器，实现多路复用。
5)本发明所述的高精度光纤天平***，体积小、重量轻、成本低廉、性能稳定，易于更换维修。
附图说明
图1是本发明实施例中高精度光纤天平的结构示意图；
图2是本发明实施例中为光纤自聚焦固定装置的立体图；
图3是本发明实施例中推反射镜固定装置的主视图；
图4是本发明实施例中推反射镜固定装置的俯视图；
图5是本发明实施例中高精度光纤天平***图；
图中标示：1-宽光谱光源；2-光电探测器；3-光纤耦合器；4-第一光纤跳线；5-第二光纤跳线；6-扫描位移台；8-光纤天平；9-托盘；10-支撑柱；11-平衡螺母；12-标尺；13-游码； 14-反射镜固定装置；15-光纤自聚焦固定装置；16-上平衡梁；17-下平衡梁；18-光纤适配器； 19-中支撑柱；20-封装壳；21-底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图5所示，本发明所述的高精度光纤天平***，包括宽光谱光源1、光电探测器2、光纤耦合器3、第一光纤跳线4、第二光纤跳线5、扫描位移台6、光纤天平8；
所述光纤天平8包括托盘9、支撑柱10、平衡螺母11、标尺12、游码13、反射镜固定装置14、光纤自聚焦固定装置15、上平衡梁16、下平衡梁17、光纤适配器18、中支撑柱19、封装壳20、底座21；
所述底座21的中间位置设置有中支撑柱19，所述中支撑柱19上设置有上平衡梁16、下平衡梁17；所述上平衡梁16的中间位置以及下平衡梁17的中间位置均与中支撑柱19铰接；所述上平衡梁16两端均设置有平衡螺母11；
所述上平衡梁16的两端均设置有竖向的支撑柱10，所述支撑柱10与上平衡梁16铰接；所述支撑柱10的下端与下平衡梁17铰接，所述支撑柱10的上端设置有托盘9；
所述上平衡梁16上设置有横向的标尺12，所述游码13滑动安装在标尺12上；所述支撑柱10的底端设置有反射镜固定装置14；所述反光镜固定装置14的正下方设置有光纤自聚焦固定装置15；所述光纤自聚焦固定装置15固定安装在底座21上；所述封装壳20将上平衡梁16下方的结构密封；所述封装壳20上设置有光纤适配器18，所述光纤自聚焦固定装置15通过光纤与光纤适配器18连接；
所述光纤耦合器3具有a、b、c、d接口端；所述扫描位移台6上设置有第一自聚焦透镜 71和第二自聚焦透镜72；
所述光谱光源1和光电探测器2分别与光纤耦合器3的a端和b端相连，c端和d端分别连接第一光纤跳线4和第一自聚焦透镜71，第一光纤跳线4的另一端与光纤天平8中的光纤适配器18相连；所述第一自聚焦透镜71与第二自聚焦透镜72对准且均安装在扫描位移台6 上，第二自聚焦透镜72位置固定；所述第一自聚焦透镜71可调节位置，第二自聚焦透镜72通过第二光纤跳线5连接到光纤适配器18。
具体的，所述的宽光谱光源1是LED光源、SLD/SLED光源、ASE光源中的一种。
所述的光纤天平8在平衡状态下，光纤耦合器3的c端、d端分别到反射镜固定装置14 的镜面的光程相等，且第一自聚焦透镜71在位移台有效距离的中心位置左右。
所述的光纤跳线4和光纤跳线5的长度可以短至几厘米，也可以长至数公里或者更长。
在具体的应用过程中：
步骤一、光路搭建。按图5连接各器件，本实施例中第一光纤跳线4长度为3m，考虑到扫描位移台6的移动有效距离为0.2m，第二光纤跳线5的长度设计为2.9m。光纤天平8内部的光纤自聚焦透镜分别固定在两个光纤自聚焦固定装置15的相同位置，保证两透镜镜面高度相同，尾端分别接光纤适配器18。镀银平面反射镜通过硅橡胶粘贴在反射镜固定装置14上，且镀银面朝下。
步骤二、光路准直。通过调节反射镜固定装置14和光纤自聚焦透镜固定装置15的调角螺丝来确保平面反射镜面水平且高度相同、自聚焦透镜的镜面水平且高度相同，光线垂直出射到反射镜面中心并原路反射回自聚焦透镜。通过调整扫描位移台上第一自聚焦透镜71和第二自聚焦透镜72的角度，保证自第一自聚焦透镜71的出射光基本完全入射到第二自聚焦透镜72中。
步骤三、天平调平。调整平衡螺母和扫描位移台上的第一自聚焦透镜71的位置直至在光电探测器中显示白光干涉条纹的中心极大值，此时天平调平完成。
步骤四、天平称量测试。本实施例中选用直径1mm，单个质量0.004g的碳钢珠作为称量砝码。为保证测试数据准确，本实施例中在天平托盘中心位置各开有一个直径1m的球形槽。放置一粒钢珠在天平左托盘中心凹槽中，天平中心偏转1.06度，光电探测器中干涉条纹基本消失，在天平右托盘同样放置一粒钢珠后光电探测器中逐渐显示白光干涉条纹稳定后显示其中心极大值，说明此时天平再次平衡。
综上所述，本发明所述的高精度光纤天平***，具有以下优点：
1)本发明所述的高精度光纤天平***，使得有源与无源器件相互分离设计使其能够在强电磁干扰、易燃易爆、高温高压环境下工作。
2)本发明所述的高精度光纤天平***，可以与光纤传输***组成遥测网络，实现远程实时监测与测量。
3)本发明所述的高精度光纤天平***，由于采用光纤将天平两端托盘的位于转化为光谱；从而使得天平具有对温度不敏感，多路复用，成本低廉，性能稳定的优点。温度误差仅来源于扫描位移台上宽谱光的空间传输，但其传输距离不会超过15cm，所以温度带来的误差可以忽略不计。
4)本发明所述的高精度光纤天平***，多个光纤天平可共同使用一套宽光谱光源、光电探测器，实现多路复用。
5)本发明所述的高精度光纤天平***，体积小、重量轻、成本低廉、性能稳定，易于更换维修。
具体的，为了便于平面反射镜114角度的调节，同时简化结构，进一步的，所述平面反射镜固定装置14包括螺柱141、调角螺丝142、橡胶圈143、平面反射镜144以及上安装板145和下安装板；
所述螺柱141设置在上安装板的顶部；所述橡胶圈143设置在上安装板和下安装板之间；
所述上安装板145上设置有横向槽146；所述上安装板145上设置有两颗调角螺丝142，两个调角螺丝142分别位于螺柱141的两侧；其中一颗调角螺丝142由上安装板145***延伸到下安装板内，且与下安装板螺纹配合；另一颗调角螺丝142的一端通过横向槽146***到安装板内，且与下安装板螺纹配合；所述平面反射镜144安装在下安装板的下底面。
为了便于光纤自聚焦透镜101角度的调节，同时简化结构，进一步的，所述的光纤自聚焦透镜固定装置15包括光纤自聚焦透镜151、第二调角螺丝153、橡胶圈154、固定座155；所述固定座155上设置有聚焦透镜安装座，所述橡胶圈154位于固定座155与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜151安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝153设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝153的一端依次穿过法兰、橡胶圈154***到固定座155内，且与固定座155螺纹配合。
为了便于光纤自聚焦透镜101的安装和更换，进一步的，所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝152；所述光纤自聚焦透镜151安装在安装凸台顶部。
Claims (4)
1.高精度光纤天平***，其特征在于：包括宽光谱光源(1)、光电探测器(2)、光纤耦合器(3)、第一光纤跳线(4)、第二光纤跳线(5)、扫描位移台(6)、光纤天平(8)；
所述光纤天平(8)包括托盘(9)、支撑柱(10)、平衡螺母(11)、标尺(12)、游码(13)、反射镜固定装置(14)、光纤自聚焦固定装置(15)、上平衡梁(16)、下平衡梁(17)、光纤适配器(18)、中支撑柱(19)、封装壳(20)、底座(21)；
所述底座(21)的中间位置设置有中支撑柱(19)，所述中支撑柱(19)上设置有上平衡梁(16)、下平衡梁(17)；所述上平衡梁(16)的中间位置以及下平衡梁(17)的中间位置均与中支撑柱(19)铰接；所述上平衡梁(16)两端均设置有平衡螺母(11)；
所述上平衡梁(16)的两端均设置有竖向的支撑柱(10)，所述支撑柱(10)与上平衡梁(16)铰接；所述支撑柱(10)的下端与下平衡梁(17)铰接，所述支撑柱(10)的上端设置有托盘(9)；
所述上平衡梁(16)上设置有横向的标尺(12)，所述游码(13)滑动安装在标尺(12)上；所述支撑柱(10)的底端设置有反射镜固定装置(14)；所述反光镜固定装置(14)的正下方设置有光纤自聚焦固定装置(15)；所述光纤自聚焦固定装置(15)固定安装在底座(21)上；所述封装壳(20)将上平衡梁(16)下方的结构密封；所述封装壳(20)上设置有光纤适配器(18)，所述光纤自聚焦固定装置(15)通过光纤与光纤适配器(18)连接；
所述光纤耦合器(3)具有a、b、c、d接口端；所述扫描位移台(6)上设置有第一自聚焦透镜(71)和第二自聚焦透镜(72)；
所述光谱光源(1)和光电探测器(2)分别与光纤耦合器(3)的a端和b端相连，c端和d端分别连接第一光纤跳线(4)和第一自聚焦透镜(71)，第一光纤跳线(4)的另一端与光纤天平(8)中的光纤适配器(18)相连；所述第一自聚焦透镜(71)与第二自聚焦透镜(72)对准且均安装在扫描位移台(6)上，第二自聚焦透镜(72)位置固定；所述第一自聚焦透镜(71)可调节位置，第二自聚焦透镜(72)通过第二光纤跳线(5)连接到光纤适配器(18)。
2.如权利要求1所述的高精度光纤天平***，其特征在于：所述平面反射镜固定装置(14)包括螺柱(141)、调角螺丝(142)、橡胶圈(143)、平面反射镜(144)以及上安装板(145)和下安装板；
所述螺柱(141)设置在上安装板的顶部；所述橡胶圈(143)设置在上安装板和下安装板之间；
所述上安装板(145)上设置有横向槽(146)；所述上安装板(145)上设置有两颗调角螺丝(142)，两个调角螺丝(142)分别位于螺柱(141)的两侧；其中一颗调角螺丝(142)由上安装板(145)***延伸到下安装板内，且与下安装板螺纹配合；另一颗调角螺丝(142)的一端通过横向槽(146)***到安装板内，且与下安装板螺纹配合；所述平面反射镜(144)安装在下安装板的下底面。
3.如权利要求1所述的高精度光纤天平***，其特征在于：所述的光纤自聚焦透镜固定装置(15)包括光纤自聚焦透镜(151)、第二调角螺丝(153)、橡胶圈(154)、固定座(155)；所述固定座(155)上设置有聚焦透镜安装座，所述橡胶圈(154)位于固定座(155)与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜(151)安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝(153)设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝(153)的一端依次穿过法兰、橡胶圈(154)***到固定座(155)内，且与固定座(155)螺纹配合。
4.如权利要求3所述的高精度光纤天平***，其特征在于：所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝(152)；所述光纤自聚焦透镜(151)安装在安装凸台顶部。
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