CN1304822C - 一种光纤光栅倾斜角度传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅倾斜角度传感器，包括通过光纤耦合器链路相连的宽带光源、两个2×2光纤耦合器、传感探头、两个光电探测器以及与光电探测器相连的信号处理单元。本发明的技术特点是采用悬臂梁式重力摆结构和“串联反射型”光纤光栅传感自解调技术。由于两个参数相同的光纤光栅粘贴在悬臂梁上，并封装于框架中，一是不易被破坏，提高了其使用寿命；二是起到了温度补偿作用，可减小环境温度对测量的影响。另外本发明仅用两只光纤光栅既实现了传感又实现了解调，大大降低了光纤光栅传感器解调***的成本和复杂程度。可用于机器人倾斜姿态的测控、车载路面倾斜度测量仪、大型工件表面安装倾斜度测量等领域。

Description

一种光纤光栅倾斜角度传感器

技术领域

一种光纤光栅倾斜角度传感器，属于光纤传感及光电检测技术领域。

背景技术

传统的倾斜角度测量方法主要有机械测量、电磁测量和光学测量三种方法。其中机械测量方法自动化程度较低，电磁测量方法抗电磁干扰能力较弱；相比之下，由于光学检测技术具有快速、精度和灵敏度高、抗电磁干扰等优点而使其在倾斜角度测量领域受到众多研究机构和工业界的青睐。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)]，利用直角棱锥的分光技术，把入射光分成几组相互垂直的衍射光，利用干涉条纹的位置变化实现倾斜角度测量。

目前利用光学法测量倾斜角度的方法大多需要复杂的结构和较昂贵的仪器，而且测量***的体积较大。香港学者[Bai-OuGuan，Hwa-Yaw Tam，Shun-Yee Liu，“Temperature-Independent Fiber Bragg Grating Tilt Sensor”，IEEE Photonics TechnologyLetters，16(1)，224-226(2004)]提出了一种基于光纤光栅传感原理的倾斜角度测量方法，和传统的激光测量方法相比，结构复杂度和成本有所改善，但这种方法依然存在以下技术问题和缺陷：①光纤光栅没有附着在任何载体上而直接受力，容易发生断裂；②没有采用温度补偿措施，使***容易受环境温度影响；③***需要使用额外的解调装置才能进行测量，从而增加了光纤光栅的使用数量、***的体积和成本；④光源光强变化会影响测量结果。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足和缺陷，提出一种体积小、成本低、实用可靠而且测量精度和灵敏度较高的光纤光栅倾斜角度传感器。

本发明的技术方案如下：

一种光纤光栅倾斜角度传感器，其特征在于：该传感器包括通过光纤耦合器链路相连的宽带光源、两个2×2光纤耦合器、传感探头、两个光电探测器以及与光电探测器相连的信号处理单元；所述的传感探头由框架、封装并固定在框架上的等厚的等腰三角形悬臂梁、固定在悬臂梁底部的重力摆以及对称粘贴在悬臂梁两侧的参数相同的两个光纤光栅组成；所述的光纤耦合器链路采用串联反射型光纤链路结构：即宽带光源尾纤与第一个2×2光纤耦合器相连，第一个光纤耦合器的输出端与所述传感探头中的一个光纤光栅相连，经过该光纤光栅反射后，由原路返回后经第一个2×2光纤耦合器再与第二个2×2光纤耦合器的输入端相连；第二个光纤耦合器通过其两个输出端分别与所述传感探头中的另一个光纤光栅和一个光电探测器相连，从该光纤光栅反射的光由原路返回后经第二个2×2光纤耦合器与另一光电探测器相连。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：1)光纤光栅粘贴在悬臂梁上，并封装于传感器探头框架之中，不易被破坏，提高了传感器的坚固性和使用寿命，更具实用性；2)传感探头中使用两个参数相同的光纤光栅，起到了温度补偿作用，加上对传感探头进行封装，可以减小环境温度对测量的影响；3)仅用两只光纤光栅同时实现了传感和解调，大大降低了光纤光栅传感器解调***的成本和复杂程度；4)通过参考光路设计和数据处理技术，减小了光源波动等对传感器测量特性的影响。5)调整悬臂梁底部的重力摆的质量很容易改变测量范围和测量灵敏度，所以可以根据测量范围和测量灵敏度要求选择重力摆质量。

附图说明

图1为本发明提供的光纤光栅倾斜角度传感器的原理结构示意图。

图2为传感探头的结构原理示意图。

图3为等厚的悬臂梁的结构示意图。

图4为传感光纤光栅反射光谱移动示意图。

图5为光电探测器接收到的光功率与传感器倾斜角度的理论关系曲线。

图6为倾斜角度的实验测量曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的光纤光栅倾斜角度传感器的结构及其测量原理作进一步的说明。

图1为光纤光栅倾斜角度传感器结构原理示意图，该传感器包括通过光纤耦合器链路13相连的宽带光源11，两个2×2光纤耦合器12和15，传感探头14，两个光电探测器16和17以及与光电探测器相连的信号处理单元18，所述的传感探头由框架21、封装并固定在框架上的等厚的等腰三角形悬臂梁22、固定在悬臂梁底部的重力摆25以及对称粘贴在悬臂梁两侧的参数相同的光纤光栅23和24组成(如图2所示)；所述的光纤耦合器链路13采用串联反射型光纤链路结构：即宽带光源11的尾纤与第一个2×2光纤耦合器12相连，第一个光纤耦合器12的输出端与所述传感探头中的光纤光栅23相连，经过该光纤光栅23反射后，由原路返回后经第一个2×2光纤耦合器12再与第二个2×2光纤耦合器15输入端相连；第二个光纤耦合器15通过其两个输出端分别与所述传感探头中的光纤光栅24和光电探测器16相连，光电探测器16接收到的这路光信号作为参考信号，用以监测光源光强度的波动和经过第一只光纤光栅23后反射光的光强波动情况，以减小测量误差。从光纤光栅24反射的光由原路返回后经第二个2×2光纤耦合器15与光电探测器17相连。将两只光电探测器接收到的光信号通过信号处理单元18处理后，可以获得被测的倾斜角度信息。

下面通过提供一个具体实施例可进一步理解本发明。

悬臂梁22由有机玻璃材料制成，表面为等腰三角形，截面为矩形，如图3所示。将悬臂梁一端固定于框架21顶部的中央位置，另一端与重物25相连，长度L＝12.8cm，最大宽度d＝2.56cm，厚度h＝2mm，重物25的质量m＝0.02kg。选用两个参数相同的光纤光栅23和24作为传感元件，将它们沿轴线方向分别粘贴于悬臂梁22的两个表面对称位置上。选用两个光纤光栅作为传感元件可以实现传感探头自解调，同时还能起到温度补偿的作用，减小环境温度变化对测量结果的影响。宽带光源11采用放大自激发辐射(ASE)稳定化光源，波长范围为1525nm-1570nm。两个3dB光纤耦合器12和15的耦合比均为1∶1。两个光纤光栅23、24的反射谱中心波长分别为1550.107nm和1550.104nm，半高带宽分别为0.194nm和0.186nm，反射率均大于95％。两个光电探测器16、17采用高灵敏度的同轴尾纤型光电二极管，暗电流小于2.0nA。

根据光学原理可知，光纤光栅23和24可以看成是以其各自布拉格波长为中心的带通滤波器，宽带光源的光谱经过光纤光栅23反射后形成窄带光谱，然后输入给光纤光栅24，只有与两个光纤光栅反射光谱重叠部分相对应的范围内的光波才有可能被光电探测器接收到。理论分析表明，光电探测器接收到的光功率是两个光纤光栅反射光谱的卷积。

当传感探头14处于水平位置时，悬臂梁未发生应变，通过施加预应变的方法调节两个光纤光栅的反射光谱中心波长，使它们完全重合。理论分析和实验表明，此时光电探测器接收到的光信号最强。

在传感探头没有发生倾斜时，两只光纤光栅的反射光谱相互重叠；当传感探头14处于倾斜状态时(参见图2)，悬臂梁22在重物25重力作用下发生形变，使光纤光栅23发生正应变，光纤光栅24发生负应变，它们的反射光谱将向相反方向移动，如图4所示(FBG1对应光栅23，FBG2对应光栅24)，此时光电探测器17接收到的光信号将发生变化。理论分析和实验表明，传感探头倾斜角度越大，两个光纤光栅反射光谱中心波长的分离量越大，光电探测器17接收到的光功率越小。

由此可以看出，传感探头倾斜角度的大小就反映在两个传感光纤光栅反射光谱的相互作用结果中，***不需要额外的信号解调装置，仅利用两个光纤光栅反射光谱中心波长的彼此分离，引起光电探测器接收光功率的变化进行测量，使传感和解调合二为一。

两个光纤光栅反射光谱中心波长的分离量与倾斜角度的关系为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{12(1-P_e)\mathrm{mgL}}{{\mathrm{Ebh}}^2}{\mathrm{\λ}}_0\sin \mathrm{\θ}$

设置初始状态下两个光纤光栅反射光谱中心波长的分离量Δλ₁₂＝0.12nm，光电探测器接收到的光功率与传感探头倾斜角度的关系为：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2\sqrt{\ln 2}}\frac{\mathrm{\αS}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)R_1{R}_2{B}_1{B}_2}{{(B_1^2+B_2^2)}^{1/2}}\exp \left[{(\frac{12(1-P_e)\mathrm{mgL}{\mathrm{\λ}}_0\sin \mathrm{\θ}}{{\mathrm{Ebh}}^2}+{\mathrm{\Δ\λ}}_{12})}^2\frac{-4\ln 2}{B_1^2+B_2^2}\right]+P_0---\left(2\right)$

其中 $P_0=\mathrm{\αS}\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\mathrm{\δ}}_2{R}_1\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2\sqrt{\ln 2}}\frac{1}{B_1}+\mathrm{\αS}\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\mathrm{\δ}}_1{R}_2\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2\sqrt{\ln 2}}\frac{1}{B_2}+\mathrm{\αS}\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\mathrm{\δ}}_1{\mathrm{\δ}}_{2}B,$ 在***参数确定以后，P₀为常数。此关系对应的仿真曲线如图5所示。

从图中可以看出，传感探头的倾斜角度越大，光电探测器17接收到的光功率越小。在倾斜角度为2°-8°范围内，曲线的线性度较好。

在环境温度为27℃时，得到的实验测量结果如图6所示，横坐标代表实际的倾斜角度，纵坐标代表倾斜角度的测量值。

Claims (3)

1、一种光纤光栅倾斜角度传感器，其特征在于：该传感器包括通过光纤耦合器链路相连的宽带光源、两个2×2光纤耦合器、传感探头、两个光电探测器以及与光电探测器相连的信号处理单元，所述的传感探头由框架(21)、封装并固定在框架上的等厚的等腰三角形悬臂梁(22)、固定在悬臂梁底部的重力摆(25)以及对称粘贴在悬臂梁两侧的参数相同或接近的两个光纤光栅(23、24)组成；所述的光纤耦合器链路采用串联反射型光纤链路结构：即宽带光源尾纤与第一个2×2光纤耦合器(12)相连，第一个光纤耦合器(12)的输出端与所述传感探头中的第一光纤光栅(23)相连，经过第一光纤光栅(23)反射后，由原路返回后经第一个2×2光纤耦合器(12)再与第二个2×2光纤耦合器(15)输入端相连；第二个光纤耦合器(15)通过其两个输出端分别与所述传感探头中的第二光纤光栅(24)和光电探测器(16)相连，从第二光纤光栅(24)反射的光由原路返回后经第二个2×2光纤耦合器(15)与光电探测器(17)相连。

2、按照权利要求1所述的光纤光栅倾斜角度传感器，其特征在于：所述的两个光纤耦合器的耦合比均为1∶1。

3、按照权利要求1所述的光纤光栅倾斜角度传感器，其特征在于：所述的宽带光源采用ASE光源。

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