專利名稱：抗光強漂移的正交差動式位移-電流比較儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以光學(xué)方法為特征的計量設(shè)備，是一種基于偏振光檢測方法和法拉第磁光效應(yīng)的抗光強漂移正交差動式位移-電流比較儀。
背景技術(shù)：
直線位移或角位移是一個基本的物理量，位移傳感器在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中量大而面廣。現(xiàn)有位移傳感器中應(yīng)用較多的是電位器式位移傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但它屬于典型的接觸式傳感器，壽命、精度、可靠性都偏低。偏振光位移傳感器可以有與電位器式位移傳感器相似的結(jié)構(gòu)，而具有傳感部分為非接觸的優(yōu)點。偏振光位移傳感器要解決的基本問題之一是其固有的非線性，它們是由光學(xué)上的馬呂斯定律引入的?，F(xiàn)有解決非線性問題的技術(shù)方案是在機械部分進行預(yù)校正或在電路部分進行線性化處理。預(yù)校正的方法造成機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，校正的效果依賴于加工精度。而對測量數(shù)據(jù)進行線性化處理需要A/D、單片機等裝置，使電路復(fù)雜化。偏振光位移傳感器要解決的基本問題之二是光源光強的漂移，這是半導(dǎo)體發(fā)光器件普遍存在的問題，目前各類成熟的穩(wěn)定化光源也只能保證5-10‰的穩(wěn)定度，而且穩(wěn)定化需要復(fù)雜的反饋控制電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種抗光強漂移正交差動式位移-電流比較儀，通過由被控電流引起的法拉第旋光偏振角和被測位移引起的偏振角之間的比較，將工作點始終維持在線性度較好的選定點，實現(xiàn)位移至電流的線性轉(zhuǎn)換，從測量原理上解決非線性問題；通過同光源雙光路正交差動信號的比較，完全排除光源光強漂移的影響，提高測量準確度，彌補背景技術(shù)的不足。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的原理是將被測量的直線位移X通過機械結(jié)構(gòu)(線性地)轉(zhuǎn)換為角位移θ1與θ2，角位移01與θ2則分別在兩個偏振光檢測系統(tǒng)中構(gòu)成了偏振光之起偏器與檢偏器透光軸間的夾角，根據(jù)馬呂斯定律，在檢偏系統(tǒng)中θ1與透過檢偏器的光強J1之間具有確定的關(guān)系，即J1＝J0COS2θ1(1)其中J0為光源光強，設(shè)在另一個檢偏系統(tǒng)中有相同的光源光強，同理有J2＝J0COS2θ2(2)將θ1預(yù)置為45°，θ2預(yù)置為135°，它們分別是(1)式和(2)式中一個線性度、靈敏度最好的點，且是相互正交的(相差90°)，則當被測直線位移X使兩起偏器(或檢偏器)都產(chǎn)生一個角位移θ，并且通過引入法拉第磁光效應(yīng)又產(chǎn)生一個法拉第旋轉(zhuǎn)角θ′，則有J1＝J0COS2(45°+θ+θ′) (3)J2＝J0COS2(135°+θ+θ′) (4)其中θ′＝ ρBL (5)這里ρ為Verdet常數(shù)；L為旋光介質(zhì)長度；B為作用于旋光介質(zhì)沿光傳播方向的磁場強度。當光電信號控制空芯螺線管的線圈電流I(它與B成正比)，使螺線管磁致法拉第旋轉(zhuǎn)角滿足θ+θ′＝0，這一狀態(tài)可由兩路光強檢測信號相等即J1＝J2來確定，則在J1、J2曲線上的工作點分別維持在靈敏度最高、線性度最好的預(yù)置點，不再需要專門處理非線性，此時電流I與位移X成正比，位移測量問題轉(zhuǎn)換為成熟的電流測量問題。又由于采用同光源正交差動雙光路結(jié)構(gòu)，當光源光強J0漂移時，只要始終控制電流I保證J1＝J2，則由(3)、(4)式仍有θ+θ′＝0成立，即預(yù)置工作點的縱坐標雖然改變，但其橫坐標(角位移)并未改變，從而避免了光源光強漂移對測量精度的影響，即系統(tǒng)具備了抗光強漂移的能力。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是從左而右依次裝有發(fā)光元件、起偏器、外面繞有螺線管勵磁線圈的法拉第旋光元件、正交雙檢偏器、兩個光電檢測元件，兩個光電檢測元件的輸出端分別連接到比較放大器的兩輸入端，比較放大器的輸出端連接到電流驅(qū)動與檢測裝置，電流驅(qū)動與檢測裝置的電流驅(qū)動輸出端與電磁裝置中螺線管勵磁線圈相連接，電流驅(qū)動與檢測裝置的電流輸出端為位移測量系統(tǒng)之輸出。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是1.傳感部分為非接觸的偏振光檢測，運行可靠，使用壽命長；2.同光源雙光路正交差動比較結(jié)構(gòu)，解決了光源光強漂移問題，提高測量準確度；3.引入法拉第磁光效應(yīng)后將工作點固定在線性度比較好的點，從測量原理上解決了光學(xué)系統(tǒng)固有的非線性問題；4.位移—電流比較儀為光、機、電(磁)一體化結(jié)構(gòu)，各部分相對簡單，性能價格比高。


圖1是本發(fā)明的比較儀立體結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是本發(fā)明的比較儀結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3是本發(fā)明的抗光強漂移原理示意圖；圖4是本發(fā)明的透光軸正交雙檢偏器示意圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，本發(fā)明從左而右依次包括發(fā)光元件2、起偏器3、外面繞有螺線管勵磁線圈4的法拉第旋光元件5、正交雙檢偏器6、兩個光電檢測元件7、8，兩個光電檢測元件7、8的輸出端分別連接到比較放大器9的兩輸入端，比較放大器9的輸出端連接到電流驅(qū)動與檢測裝置1，電流驅(qū)動與檢測裝置1的電流驅(qū)動輸出端與電磁裝置中螺線管勵磁線圈4相連接，電流驅(qū)動與檢測裝置1的電流輸出端為位移測量系統(tǒng)之輸出。比較放大器9采用MAXIM的LMX331比較放大芯片實現(xiàn)。電流驅(qū)動與檢測裝置1由普通220V電源驅(qū)動勵磁線圈，用精密金屬膜采樣電阻組成。
如圖3所示，在偏振光檢測系統(tǒng)中，起偏器3與檢偏器6透光軸之間的夾角θ1與θ2同透過檢偏器的光強J之間有確定的關(guān)系，即如(1)、(2)式所示的馬呂斯定律，兩光路預(yù)置角度分別取45°、135°，可獲得較好的線性工作區(qū)域。如圖1、2所示，勵磁線圈中的受控電流I在螺線管空氣隙中建立起磁場B，有B＝aI (6)a為一與螺線管形狀、線圈繞制有關(guān)的常數(shù)。由(5)式可知，法拉第磁光效應(yīng)也引進一個偏振面旋轉(zhuǎn)角θ′，并且它與電流I成比例。當被測位移和受控電流分別產(chǎn)生的角度大小相等、方向相反時，偏振面保持在初始工作點不變，而電流與位移成正比，位移測量問題轉(zhuǎn)換為相對成熟和簡單的電流檢測問題。其工作過程為由發(fā)光元件2發(fā)出的光束經(jīng)起偏器3后成為線性偏振光，如圖4所示，特制的檢偏器6由兩片透光軸成90°的偏振片合成，透過兩偏振片的光J1與J2分別被兩個光電元件7、8接收，它們輸出的光電轉(zhuǎn)換信號經(jīng)比較放大器9處理后用來控制電流驅(qū)動與檢測裝置1，對法拉第電流I進行調(diào)制，使光電元件7、8的輸出相等，保證θ+θ′＝0的成立；電流驅(qū)動與檢測裝置1同時還記錄兩路光強信號相等時的電流值作為與被測位移成正比的輸出信號；由于在整個位移測量量程上系統(tǒng)都工作在線性度好的預(yù)置點，非線性問題不復(fù)存在；由于光源光強漂移時只是預(yù)置工作點的縱坐標發(fā)生改變，從A到B，而橫坐標維持不變(如圖3所示)，故不影響位移的測量精度，即本發(fā)明的正交差動位移-電流比較儀原理上具有抗光強漂移的能力。
權(quán)利要求
1.抗光強漂移的正交差動式位移-電流比較儀，其特征在于從左而右依次包括發(fā)光元件(2)、起偏器(3)、外面繞有螺線管勵磁線圈(4)的法拉第旋光元件(5)、正交雙檢偏器(6)、兩個光電檢測元件(7、8)，兩個光電檢測元件(7、8)的輸出端分別連接到比較放大器(9)的兩輸入端，比較放大器(9)的輸出端連接到電流驅(qū)動與檢測裝置(1)，電流驅(qū)動與檢測裝置(1)的電流驅(qū)動輸出端與電磁裝置中螺線管勵磁線圈(4)相連接，電流驅(qū)動與檢測裝置(1)的電流輸出端為位移測量系統(tǒng)之輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗光強漂移正交差動式位移－電流比較儀。從左而右依次裝有發(fā)光元件、起偏器、外面繞有螺線管勵磁線圈的法拉第旋光元件、正交雙檢偏器、兩個光電檢測元件，兩個光電檢測元件的輸出端分別連接到比較放大器的兩輸入端，比較放大器的輸出端連接到電流驅(qū)動與檢測裝置，電流驅(qū)動與檢測裝置的電流驅(qū)動輸出端與電磁裝置中螺線管勵磁線圈相連接，電流驅(qū)動與檢測裝置的電流輸出端為位移測量系統(tǒng)之輸出。本發(fā)明通過由被控電流引起的法拉第旋光偏振角和被測位移引起的偏振角之間的比較，將工作點始終維持在線性度較好的選定點，實現(xiàn)位移至電流的線性轉(zhuǎn)換，解決非線性問題；通過同光源雙光路正交差動信號的比較，排除光源光強漂移的影響，提高測量準確度。
文檔編號G01B7/30GK1480706SQ0314144
公開日2004年3月10日 申請日期2003年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月3日
發(fā)明者李偉, 王耀軍, 盧圣, 李 偉 申請人:浙江大學(xué)