CN204495287U - 一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，包括壳体、设置于壳体外的信号处理单元以及设置于壳体上的传感器单元，所述传感器单元包括输入/输出光纤、光纤阵列探头、反射式数字编码器、水平滑轨以及连接杆，所述输入/输出光纤一端连接信号处理单元，一端连接光纤阵列探头，所述光纤阵列探头安装于壳体上并伸入壳体内腔，光纤阵列探头正下方设置有反射式数字编码器，反射式数字编码器安装于可使反射式数字编码器往复移动的水平滑轨上，所述水平滑轨与一端伸出壳体外的连接杆连接，通过将被测物与连接杆连接实现反射式数字编码器移动。本实用新型的位置传感器具有量程大、非接触、数字输出、精度高、成本低，可靠性高，传感器单元无需电源，适合于远距离测量、电磁干扰、易燃易爆、高温高湿等恶劣环境，很好解决了现有光纤位移传感器的不足，同时又具有其它位移传感器不具备的光纤传感技术的优点，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器

技术领域

本实用新型属于位置传感器、光纤传感器领域，涉及一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器。

背景技术

位移/位置传感器是检测长度基本物理量的一类重要的传感器，得到了广泛应用，具有巨大的市场。位移传感器包括直线位移传感器和角位移传感器两类，两种可以相互转换。根据测量量程的大小，位移传感器可以分为小位移传感器和大位移传感器。小位移传感器包括应变式、电容式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器式等，大位移传感器包括感应同步器式、光栅式、容栅式、磁栅式、激光位移传感器、磁致伸缩位移传感器和电位器式位移传感器等。

光栅式位移传感器因其具有数字化、精度高、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用，但其成本高。

电位器式位移传感器具有结构简单、输出信号大、使用方便、价格低廉等优点，应用非常广泛。它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性的电阻或电压输出，电位器元件的实现方式有导电塑料电阻膜、绕线电阻、金属玻璃铀电阻、金属膜等。为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系，这受到电刷与电阻体接触状态的影响，尤其存在磨损、高速运动跳动和湿度带来的影响，产生了很多的可靠性问题。

磁致伸缩位移传感器利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置，通过非接触地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的，该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用，但其也存在成本高的不足。

激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波测量法，激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光测量分析法则用于远距离测量，测量精度相对于激光三角测量法要低。激光位移传感器的成本一般也较高。

从20世纪70年代中期开始，由于光纤传感器的无源、长距离传输特性，对被测对象无任何影响，抗电磁干扰，具有耐高温，耐高压，抗腐蚀，可在有毒、核辐射等恶劣环境下正常工作，光纤传输频带宽，动态范围大，光纤传感器外形细小的特点，而被广泛应用，尤其在无电源供电，遥感遥测，电磁干扰、易燃易爆、高温高湿等恶劣环境具有巨大的技术优势，成为一类重要的光纤位移传感器。

 细小触状态的影响，尤其存在使用纤接收器现有的一种反射式光纤位移传感器，其基本原理是基于光纤探头接收的反射光强随距离变化的光强模拟调制型光纤位移传感器。通常，传感器包括光发射光纤和接收光纤，当光纤探头紧贴反射面时，接收光纤接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收光纤接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。在得到电压和距离的关系之后就可以通过单片机的处理将电压转换成距离显示出来。这些光纤位移传感器一般量程较小，易受到光源光强变化的影响，模拟量输出，测量精度不高。

另一种基于反射式编码光栅的光电位移传感器，其构成包括光源、准直透镜、成像透镜、指示光栅（透射式）、主光栅（反射式光栅）和光敏元件。其工作原理为光源发出的光经透镜后成为平行光，平行光透过指示光栅后照到主光栅上，主光栅将指示光栅像成像于指示光栅面上，指示光栅像与主光栅相重叠形成莫尔条纹，成像透镜将莫尔条纹成像在光敏元件上。主光栅移动时，指示光栅像将随之移动，莫尔条纹将呈周期性变化，此时光敏元件上的电流也将呈周期改变，经信号处理及计算后便可得出主光栅相对于指示光栅的转角。该种位移传感器光学***复杂，包括主光栅和指示光栅的光栅副、准直成像透镜，以及光敏元件等器件，结构复杂，安装不便。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种具有量程大、非接触、数字输出、精度高、成本低，可靠性高，传感器单元无需电源，适合于远距离测量、电磁干扰、易燃易爆、高温高湿等恶劣环境，很好解决了现有光纤位移传感器的不足，同时又具有其他位移传感器不具备的光纤传感技术的基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器。

为实现本实用新型目的，提供了以下技术方案：一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于包括壳体、设置于壳体外的信号处理单元以及设置于壳体上的传感器单元，所述传感器单元包括输入/输出光纤、光纤阵列探头、反射式数字编码器、水平滑轨以及连接杆，所述输入/输出光纤一端连接信号处理单元，一端连接光纤阵列探头，所述光纤阵列探头安装于壳体上并伸入壳体内腔，光纤阵列探头正下方设置有反射式数字编码器，反射式数字编码器安装于可使反射式数字编码器往复移动的水平滑轨上，所述水平滑轨与一端伸出壳体外的连接杆连接，通过将被测物与连接杆连接实现反射式数字编码器移动。

作为优选，所述光纤阵列探头与反射式数字编码器垂直或接近垂直设置，间隙为数微米至数百微米。

作为优选，所述输入/输出光纤为单模或多模通信光纤。

作为优选，所述光纤阵列探头由固定在等间距的V型或U型槽内的带状光纤组成，或直接使用带状光纤，光纤端面进行抛光、倒角处理。

作为优选，所述信号处理单元包括半导体激光器、多路光探测器、光分路器、一组Y形光纤分束器和处理电路，Y形光纤分束器的公共端与光纤阵列探头连接。

作为优选，反射式数字编码器包括基板，基板的边缘设有0至100微米高度的保护凸体，基板上设置有交错排列的高光反射率区域和低光反射率区域。

作为优选，所述低光反射率区域为光透射区、光吸收区或光漫反射区。

作为优选，基板为硅基板、玻璃基板、陶瓷基板或金属基板。

作为优选，带状光纤的光纤排列方向与反射式数字编码器的高光反射率区域和低光反射率区域的分界线平行或成一定角度θ。

当光纤位移传感器工作时，一束光线通过输入光纤从光纤阵列探头出射到反射式数字编码器上，根据此时反射式数字编码器与光纤阵列探头对应的是高光反射率区域或低光反射率区域，从反射式数字编码器反射回光纤阵列探头的光信号代表着二进制编码位置信息1或0，该信息通过输出光纤传输到信号处理单元解调处理。当被测物体通过连接杆带动反射式数字编码器连续运动时，光纤阵列探头从反射式数字编码器上读取到一组连续的二进制数字编码信息，通过信号处理单元解调处理，从而得到被测物***置及位置变化，进而测出物***移。

本实用新型的有益效果是：

一、非接触测量，光纤解调，寿命长，适应高速运动位移测量；

二、安全可靠，电绝缘，抗电磁干扰，适应恶劣使用环境，易实现对被测位置远距离监控；

三、结构简单、成本低，无复杂的光学元件如透镜，仅包括光纤阵列和一块反射式数字编码器，适合大范围推广应用；

四、响应速度快、数字输出、无漂移、高精度；

五、高可靠性、可拆卸，安装、维护方便，耐用性高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是反射式数字编码器相对编码示意图。

图3是光纤阵列探头反射式数字编码器成一定角度θ示意图。

图4是反射式数字编码器绝对编码示意图。

具体实施方式

实施例1：一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，包括壳体1、设置于壳体1外的信号处理单元2以及设置于壳体1上的传感器单元3，所述传感器单元3包括输入/输出光纤3.1、光纤阵列探头3.2、反射式数字编码器3.3、水平滑轨3.4以及连接杆3.5，所述输入/输出光纤3.1一端连接信号处理单元2，一端连接光纤阵列探头3.2，所述光纤阵列探头3.2安装于壳体1上并伸入壳体1内腔，光纤阵列探头3.2正下方设置有反射式数字编码器3.3，反射式数字编码器3.3安装于可使其往复移动的水平滑轨3.4上，水平滑轨3.4与一端伸出壳体1外的连接杆3.5连接，通过将被测物与连接杆3.5连接实现反射式数字编码器3.3移动。所述光纤阵列探头3.2与反射式数字编码器3.3垂直设置，间隙为70微米。所述输入/输出光纤3.1为单模通信光纤。所述光纤阵列探头3.2由U型槽内的带状光纤组成。所述信号处理单元2包括半导体激光器、多路光探测器、光分路器、一组Y形光纤分束器2.1和处理电路，Y形光纤分束器2.1的公共端与光纤阵列探头3.2连接。反射式数字编码器3.3包括基板3.3.1，基板3.3.1的四周边缘设有凸体3.3.2，基板3.3.1上设置有交错排列的高光反射率区域3.3.3和低光反射率区域3.3.4，采用相对编码。所述低光反射率区域3.3.4为光漫反射区。基板3.3.1为硅基板。

光源输入Y形光纤分束器2.1的光纤束输入口，经输入光纤从光纤阵列探头3.2入射到反射式数字编码器3.3，反射式数字编码器3.3的反射光反射回所述光纤阵列探头3.2从而形成一个0/1的二进制编码位置信号交到信号处理单元2解调处理。当被测物体通过连接杆3.5带动反射式数字编码器3.3连续运动时，光纤阵列探头3.2从反射式数字编码器3.3上读取到一组连续的二进制编码信息，从而得到被测物体相对位置变化量，测出位移。其中反射式数字编码器3.3分为两列相互错位的编码，和两个光纤阵列探头3.2相对，通过两列二进制编码的相位变化特点来判定被测物体移动方向，实现对位移的准确计算。

实施例2：

参考实施例1，不同的是，反射式数字编码器3.3基板3.3.1采用玻璃基板；输入/输出光纤3.1为多模光纤；光纤阵列探头3.2与反射式数字编码器3.3成一定角度θ；反射式数字编码器3.3的低光反射率区域3.3.4使光透射。当传感器工作时，其反射式数字编码器3.3只有一列二进制编码，由于光纤阵列的两个光纤探头3.2和反射式数字编码器3.3成一定角度θ，光纤阵列的两个光纤探头3.2读出的编码数据在被测物不同方向移动时会有不同的延迟特点，从而来判定被测物移动方向，因而可以实现位移量准确测量。

实施例3：

参考实施例1，不同的是，反射式数字编码器3.3采用绝对编码，其上多个码道使用循环码编码，码道的数目根据位移的测量范围来确定。传感器工作时，和实施例1不同的是，当被测物体通过连接杆3.5带动反射式数字编码器3.3运动时，通过一组与反射式数字编码器3.3码道数目相同的光纤阵列探头3.2从反射式数字编码器3.3上读取到一组循环码信息，从而得到被测物体的绝对位置。

Claims (9)

1.一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于包括壳体、设置于壳体外的信号处理单元以及设置于壳体上的传感器单元，所述传感器单元包括输入/输出光纤、光纤阵列探头、反射式数字编码器、水平滑轨以及连接杆，所述输入/输出光纤一端连接信号处理单元，一端连接光纤阵列探头，所述光纤阵列探头安装于壳体上并伸入壳体内腔，光纤阵列探头正下方设置有反射式数字编码器，反射式数字编码器安装于可使反射式数字编码器往复移动的水平滑轨上，所述水平滑轨与一端伸出壳体外的连接杆连接，通过将被测物与连接杆连接实现反射式数字编码器移动。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于所述光纤阵列探头与反射式数字编码器垂直或接近垂直设置，间隙为数微米至数百微米。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于所述输入/输出光纤为单模或多模通信光纤。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于所述光纤阵列探头由固定在等间距的V型或U型槽内的带状光纤组成，或直接使用带状光纤，光纤端面进行抛光、倒角处理。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于所述信号处理单元包括半导体激光器、多路光探测器、光分路器、一组Y形光纤分束器和处理电路，Y形光纤分束器的公共端与光纤阵列探头连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于反射式数字编码器包括基板，基板的边缘设有0至100微米高度的保护凸体，基板上设置有交错排列的高光反射率区域和低光反射率区域，构成位置的数字编码。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于所述低光反射率区域为基板上的光透射区、光吸收区或光漫反射区。

8.根据权利要求6所述的一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于基板为硅基板、玻璃基板、陶瓷基板或金属基板。

9.根据权利要求4所述的一种基于光纤阵列和反射式数字编码器的位置传感器，其特征在于带状光纤的光纤排列方向与反射式数字编码器的高光反射率区域和低光反射率区域的分界线平行或成一定角度θ。