CN1563883A - 一种光纤位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤位移传感器。为克服现有技术中存在的量程小、精度和灵敏度低以及稳定性差的不足，本发明在光栅位移传感器的指示光栅6后加装自聚焦透镜13，并在自聚焦透镜13上连接有多模光纤11，该光纤的远端连接在光电转换与辨向电路仪10，实现利用自聚焦透镜13和多模光纤11直接拾取主光栅和指示光栅6后的莫尔条纹位移信号后由传输到远端再进行信号处理。本发明具有较强的抗干扰能力，适用于强电磁干扰及有核辐射的场合，并可以实现远程高速测量。同时，本发明还具有重量轻、体积小、量程大、精度高及通信频带宽的特点。

Description

一种光纤位移传感器

(一)所属技术领域：

本发明涉及一种光纤位移传感器，

(二)背景技术：

现有技术中的光栅位移传感器能用于大范围(10m以上)、高精度(1μm以下)测量的位移传感器。

在“HEIDENHAIN CORPORATION”的“linear scales encoder”中、中国科学院光电技术研究所成都科奥达光电技术有限公司生产的“长光栅位移传感器”的说明书及曹文的《感测技术》中，提出的光栅位移传感器的构造特点是照明光源用LED，用光电二极管直接收指示光栅后面的莫尔条纹光强信号，把由光电二极管转换来的弱电信号放大后送至后级电路处理单元。因此，当这类位移传感器处于强电磁场及核辐射环境时，由光电二极管转换来的弱电信号最容易受电磁信号的干扰，从而使辨向电路无法正常工作；另外，传统的光栅位移传感器，是使用电缆传输位移信号，由于金属导线之间存在分布电容，这样限制了线路传输频率的上限，即限制了测量速率，目前的光栅位移传感器最高速率为10m/s。因此，由于其本身构造的原因，传统的光栅位移传感器不能用于强电磁干扰及核辐射环境下，无法实现远程、高速测量。

现有技术中公知的光纤位移传感器有以下几种：

1.反射式光纤位移传感器：反射式光纤位移传感器采用Y型光纤结构，分叉端分别作为光源光纤和接收光纤，出光口放置一平面反射镜，经光源光纤照射至反射镜，被反射的光经接收光纤输出，其输出的光强决定于反射镜距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。所以这种光纤位移传感器的缺点是灵敏度低，稳定性差，测量量程小。

2.光纤光栅位移传感器

光纤光栅是指利用单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型Bragg光栅。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布，产生Bragg光栅效应。

光纤光栅位移传感器的基本结构是由特定波长的LED固定在半反镜的一个光学面中心上，该光学面与LED的发光中心成45°夹角；在半反镜的出光光路上固定一根光纤光栅，在光纤光栅入口处与光纤光栅相互垂直的位置上固定一光谱仪。这种光纤光栅位移传感器仍存在测量量程小、制造成本高的不足。

(三)发明内容：

为克服现有技术中存在的量程小、精度和灵敏度低以及稳定性差的不足，本发明提出一种可适用于强电磁干扰及核辐射场，能实现远程、高速测量的光纤位移传感器。

本发明的技术特征是在位移传感器的指示光栅后加装自聚焦透镜，并在自聚焦透镜上连接有多模光纤，光纤的远端连接在光电转换与辨向电路仪，实现利用自聚焦透镜和多模光纤直接拾取主光栅和指示光栅后的莫尔条纹位移信号，由多模光纤把位移信号传输到远端再进行信号处理。

由于本发明采用自聚焦透镜和多模光纤直接拾取主光栅和指示光栅后的莫尔条纹位移信号，由多模光纤把位移信号传输到远端再进行信号处理，具有较强的抗干扰能力，适用于强电磁干扰及有核辐射的场合，并可以实现远程高速测量。同时，本发明还具有重量轻、体积小、量程大、精度高及通信频带宽的特点。

(四)附图说明：

图1为本发明光纤位移传感器的结构示意图。

图1-2为图1的A-A剖面图。

附图中：

1--光源       2--箱体          3--聚光透镜   4--框架       5--主光栅    6--指示光栅

7--框架       8--位移杆        9--螺钉       10--光电转换与辨向电路仪   11--多模光纤

12--箱体盖    13--自聚焦透镜     14--位移槽

(五)具体实施方式：

本实施例主要由光源1、透镜3、主光栅5、指示光栅6、光电转换与辨向电路仪10、自聚焦透镜13、多模光纤11和箱体2组成，具体实施中：

金属制做的箱体2为方形，一端有盖板12。箱体2的底部沿中心线两侧有可放置光源1的通孔，侧壁上有位移槽14，并且一侧位移槽为通孔，另一侧为盲孔；盖板12上沿箱体中心线两侧亦有放置多模光纤11的通孔。盖板12通过螺钉与箱体2连接。

用波长为940nm照明发光二极管构成光源1，胶粘固定在箱体2的底部。光源1的前方放置有光学玻璃聚光柱面透镜3，两者之间的距离为透镜3的焦距，使光源1正好处在透镜3的焦平面上。

框架4的外框尺寸与箱体2的内壁相同，并将框架4套装在箱体2的内壁上；框架4上开有“V”型槽，将透镜3镶嵌在槽内。主光栅5胶接在框架4的另一端，其前端有指示光栅6及其固定架7。

固定架7用金属制成，两端为位移杆8，该位移杆装入位于箱体2上的位移槽14内，并且在盲孔端留有可供固定架7实现位移的距离；固定架7的中部为“凹”形槽，将指示光栅6胶接在该槽的槽口处；“凹”形槽的底部中心线两侧有两个对称于中心线、间距为莫尔条纹宽度的安装孔，该安装孔的内径与自聚焦透镜13的外径相同，自聚焦透镜13用光学胶固定在两个安装孔内。两根多模光纤11用光学胶粘接在自聚焦透镜13的平面端，多模光纤11的远端与光电转换与辨向电路仪10连接。

工作时，LED光源1发出的光经透镜2成为平行光，主光栅3被照亮，由于指示光栅11与主光栅4有一个微小的夹角，所以在指示光栅11后面就形成了莫尔条纹，如果从位移联接杆5引进微小位移，则莫尔条纹就会移动。两个在空间相距四分之一周期的自聚焦透镜6把接收到的莫尔条纹光强信号耦合进多模光纤7，多模光纤7进一步把信号传输到远端的信号处理仪13，这样就构成了一个完整的光纤位移传感器。

Claims (3)

1.一种光纤位移传感器，包括光源(1)、箱体(2)、聚光透镜(3)、主光栅(5)、位移联接杆(8)、指示光栅(11)和光电转换与辨向电路仪(10)组成，其特征在于在指示光栅(11)的后面有自聚焦透镜(6)，并在自聚焦透镜(6)上连接有多模光纤(7)；光纤的远端连接在光电转换与辨向电路仪(10)。

2.根据权利要求1所述的光纤位移传感器，其特征在于自聚焦透镜(6)嵌装在“凹”形固定架(7)上。

3.根据权利要求2所述的光纤位移传感器，  其特征在于固定架(7)的两侧有位移杆(8)，该位移杆装入位移槽(14)内；固定架(7)的中部为“凹”形槽，指示光栅(6)胶接在该槽的槽口处；自聚焦透镜(13)装在“凹”形槽的底部。