專利名稱：一種光纖光柵傾斜角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種光纖光柵傾斜角度傳感器，屬于光纖傳感及光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的傾斜角度測(cè)量方法主要有機(jī)械測(cè)量、電磁測(cè)量和光學(xué)測(cè)量三種方法。其中機(jī)械測(cè)量方法自動(dòng)化程度較低，電磁測(cè)量方法抗電磁干擾能力較弱；相比之下，由于光學(xué)檢測(cè)技術(shù)具有快速、精度和靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而使其在傾斜角度測(cè)量領(lǐng)域受到眾多研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)界的青睞。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)]，利用直角棱錐的分光技術(shù)，把入射光分成幾組相互垂直的衍射光，利用干涉條紋的位置變化實(shí)現(xiàn)傾斜角度測(cè)量。
目前利用光學(xué)法測(cè)量?jī)A斜角度的方法大多需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較昂貴的儀器，而且測(cè)量系統(tǒng)的體積較大。香港學(xué)者[Bai-OuGuan，Hwa-Yaw Tam，Shun-Yee Liu，“Temperature-Independent Fiber Bragg Grating Tilt Sensor”，IEEE Photonics TechnologyLetters，16(1)，224-226(2004)]提出了一種基于光纖光柵傳感原理的傾斜角度測(cè)量方法，和傳統(tǒng)的激光測(cè)量方法相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成本有所改善，但這種方法依然存在以下技術(shù)問題和缺陷①光纖光柵沒有附著在任何載體上而直接受力，容易發(fā)生斷裂；②沒有采用溫度補(bǔ)償措施，使系統(tǒng)容易受環(huán)境溫度影響；③系統(tǒng)需要使用額外的解調(diào)裝置才能進(jìn)行測(cè)量，從而增加了光纖光柵的使用數(shù)量、系統(tǒng)的體積和成本；④光源光強(qiáng)變化會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種體積小、成本低、實(shí)用可靠而且測(cè)量精度和靈敏度較高的光纖光柵傾斜角度傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種光纖光柵傾斜角度傳感器，其特征在于該傳感器包括通過光纖耦合器鏈路相連的寬帶光源、兩個(gè)2×2光纖耦合器、傳感探頭、兩個(gè)光電探測(cè)器以及與光電探測(cè)器相連的信號(hào)處理單元；所述的傳感探頭由框架、封裝并固定在框架上的等厚的等腰三角形懸臂梁、固定在懸臂梁底部的重力擺以及對(duì)稱粘貼在懸臂梁兩側(cè)的參數(shù)相同的兩個(gè)光纖光柵組成；所述的光纖耦合器鏈路采用串聯(lián)反射型光纖鏈路結(jié)構(gòu)即寬帶光源尾纖與第一個(gè)2×2光纖耦合器相連，第一個(gè)光纖耦合器的輸出端與所述傳感探頭中的一個(gè)光纖光柵相連，經(jīng)過該光纖光柵反射后，由原路返回后經(jīng)第一個(gè)2×2光纖耦合器再與第二個(gè)2×2光纖耦合器的輸入端相連；第二個(gè)光纖耦合器通過其兩個(gè)輸出端分別與所述傳感探頭中的另一個(gè)光纖光柵和一個(gè)光電探測(cè)器相連，從該光纖光柵反射的光由原路返回后經(jīng)第二個(gè)2×2光纖耦合器與另一光電探測(cè)器相連。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果1)光纖光柵粘貼在懸臂梁上，并封裝于傳感器探頭框架之中，不易被破壞，提高了傳感器的堅(jiān)固性和使用壽命，更具實(shí)用性；2)傳感探頭中使用兩個(gè)參數(shù)相同的光纖光柵，起到了溫度補(bǔ)償作用，加上對(duì)傳感探頭進(jìn)行封裝，可以減小環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響；3)僅用兩只光纖光柵同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳感和解調(diào)，大大降低了光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度；4)通過參考光路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，減小了光源波動(dòng)等對(duì)傳感器測(cè)量特性的影響。5)調(diào)整懸臂梁底部的重力擺的質(zhì)量很容易改變測(cè)量范圍和測(cè)量靈敏度，所以可以根據(jù)測(cè)量范圍和測(cè)量靈敏度要求選擇重力擺質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明提供的光纖光柵傾斜角度傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為傳感探頭的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖3為等厚的懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為傳感光纖光柵反射光譜移動(dòng)示意圖。
圖5為光電探測(cè)器接收到的光功率與傳感器傾斜角度的理論關(guān)系曲線。
圖6為傾斜角度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提出的光纖光柵傾斜角度傳感器的結(jié)構(gòu)及其測(cè)量原理作進(jìn)一步的說明。
圖1為光纖光柵傾斜角度傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖，該傳感器包括通過光纖耦合器鏈路13相連的寬帶光源11，兩個(gè)2×2光纖耦合器12和15，傳感探頭14，兩個(gè)光電探測(cè)器16和17以及與光電探測(cè)器相連的信號(hào)處理單元18，所述的傳感探頭由框架21、封裝并固定在框架上的等厚的等腰三角形懸臂梁22、固定在懸臂梁底部的重力擺25以及對(duì)稱粘貼在懸臂梁兩側(cè)的參數(shù)相同的光纖光柵23和24組成(如圖2所示)；所述的光纖耦合器鏈路13采用串聯(lián)反射型光纖鏈路結(jié)構(gòu)即寬帶光源11的尾纖與第一個(gè)2×2光纖耦合器12相連，第一個(gè)光纖耦合器12的輸出端與所述傳感探頭中的光纖光柵23相連，經(jīng)過該光纖光柵23反射后，由原路返回后經(jīng)第一個(gè)2×2光纖耦合器12再與第二個(gè)2×2光纖耦合器15輸入端相連；第二個(gè)光纖耦合器15通過其兩個(gè)輸出端分別與所述傳感探頭中的光纖光柵24和光電探測(cè)器16相連，光電探測(cè)器16接收到的這路光信號(hào)作為參考信號(hào)，用以監(jiān)測(cè)光源光強(qiáng)度的波動(dòng)和經(jīng)過第一只光纖光柵23后反射光的光強(qiáng)波動(dòng)情況，以減小測(cè)量誤差。從光纖光柵24反射的光由原路返回后經(jīng)第二個(gè)2×2光纖耦合器15與光電探測(cè)器17相連。將兩只光電探測(cè)器接收到的光信號(hào)通過信號(hào)處理單元18處理后，可以獲得被測(cè)的傾斜角度信息。
下面通過提供一個(gè)具體實(shí)施例可進(jìn)一步理解本發(fā)明。
懸臂梁22由有機(jī)玻璃材料制成，表面為等腰三角形，截面為矩形，如圖3所示。將懸臂梁一端固定于框架21頂部的中央位置，另一端與重物25相連，長(zhǎng)度L＝12.8cm，最大寬度d＝2.56cm，厚度h＝2mm，重物25的質(zhì)量m＝0.02kg。選用兩個(gè)參數(shù)相同的光纖光柵23和24作為傳感元件，將它們沿軸線方向分別粘貼于懸臂梁22的兩個(gè)表面對(duì)稱位置上。選用兩個(gè)光纖光柵作為傳感元件可以實(shí)現(xiàn)傳感探頭自解調(diào)，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，減小環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。寬帶光源11采用放大自激發(fā)輻射(ASE)穩(wěn)定化光源，波長(zhǎng)范圍為1525nm-1570nm。兩個(gè)3dB光纖耦合器12和15的耦合比均為1∶1。兩個(gè)光纖光柵23、24的反射譜中心波長(zhǎng)分別為1550.107nm和1550.104nm，半高帶寬分別為0.194nm和0.186nm，反射率均大于95％。兩個(gè)光電探測(cè)器16、17采用高靈敏度的同軸尾纖型光電二極管，暗電流小于2.0nA。
根據(jù)光學(xué)原理可知，光纖光柵23和24可以看成是以其各自布拉格波長(zhǎng)為中心的帶通濾波器，寬帶光源的光譜經(jīng)過光纖光柵23反射后形成窄帶光譜，然后輸入給光纖光柵24，只有與兩個(gè)光纖光柵反射光譜重疊部分相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)的光波才有可能被光電探測(cè)器接收到。理論分析表明，光電探測(cè)器接收到的光功率是兩個(gè)光纖光柵反射光譜的卷積。
當(dāng)傳感探頭14處于水平位置時(shí)，懸臂梁未發(fā)生應(yīng)變，通過施加預(yù)應(yīng)變的方法調(diào)節(jié)兩個(gè)光纖光柵的反射光譜中心波長(zhǎng)，使它們完全重合。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，此時(shí)光電探測(cè)器接收到的光信號(hào)最強(qiáng)。
在傳感探頭沒有發(fā)生傾斜時(shí)，兩只光纖光柵的反射光譜相互重疊；當(dāng)傳感探頭14處于傾斜狀態(tài)時(shí)(參見圖2)，懸臂梁22在重物25重力作用下發(fā)生形變，使光纖光柵23發(fā)生正應(yīng)變，光纖光柵24發(fā)生負(fù)應(yīng)變，它們的反射光譜將向相反方向移動(dòng)，如圖4所示(FBG1對(duì)應(yīng)光柵23，F(xiàn)BG2對(duì)應(yīng)光柵24)，此時(shí)光電探測(cè)器17接收到的光信號(hào)將發(fā)生變化。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，傳感探頭傾斜角度越大，兩個(gè)光纖光柵反射光譜中心波長(zhǎng)的分離量越大，光電探測(cè)器17接收到的光功率越小。
由此可以看出，傳感探頭傾斜角度的大小就反映在兩個(gè)傳感光纖光柵反射光譜的相互作用結(jié)果中，系統(tǒng)不需要額外的信號(hào)解調(diào)裝置，僅利用兩個(gè)光纖光柵反射光譜中心波長(zhǎng)的彼此分離，引起光電探測(cè)器接收光功率的變化進(jìn)行測(cè)量，使傳感和解調(diào)合二為一。
兩個(gè)光纖光柵反射光譜中心波長(zhǎng)的分離量與傾斜角度的關(guān)系為Δλ=12(1-Pe)mgLEbh2λ0sinθ---(1)]]>設(shè)置初始狀態(tài)下兩個(gè)光纖光柵反射光譜中心波長(zhǎng)的分離量Δλ12＝0.12nm，光電探測(cè)器接收到的光功率與傳感探頭傾斜角度的關(guān)系為P(θ)=π2ln2αS(λ0)R1R2B1B2(B12+B22)1/2exp[(12(1-Pe)mgLλ0sinθEbh2+Δλ12)2-4ln2B12+B22]+P0---(2)]]>其中P0=αS(λ0)δ2R1π2ln21B1+αS(λ0)δ1R2π2ln21B2+αS(λ0)δ1δ2B,]]>在系統(tǒng)參數(shù)確定以后，P0為常數(shù)。此關(guān)系對(duì)應(yīng)的仿真曲線如圖5所示。
從圖中可以看出，傳感探頭的傾斜角度越大，光電探測(cè)器17接收到的光功率越小。在傾斜角度為2°-8°范圍內(nèi)，曲線的線性度較好。
在環(huán)境溫度為27℃時(shí)，得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖6所示，橫坐標(biāo)代表實(shí)際的傾斜角度，縱坐標(biāo)代表傾斜角度的測(cè)量值。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵傾斜角度傳感器，其特征在于該傳感器包括通過光纖耦合器鏈路相連的寬帶光源、兩個(gè)2×2光纖耦合器、傳感探頭、兩個(gè)光電探測(cè)器以及與光電探測(cè)器相連的信號(hào)處理單元，所述的傳感探頭由框架(21)、封裝并固定在框架上的等厚的等腰三角形懸臂梁(22)、固定在懸臂梁底部的重力擺(25)以及對(duì)稱粘貼在懸臂梁兩側(cè)的參數(shù)相同或接近的光纖光柵(23、24)組成；所述的光纖耦合器鏈路采用串聯(lián)反射型光纖鏈路結(jié)構(gòu)即寬帶光源尾纖與第一個(gè)2×2光纖耦合器(12)相連，第一個(gè)光纖耦合器(12)的輸出端與所述傳感探頭中的光纖光柵(23)相連，經(jīng)過該光纖光柵(23)反射后，由原路返回后經(jīng)第一個(gè)2×2光纖耦合器(12)再與第二個(gè)2×2光纖耦合器(15)輸入端相連；第二個(gè)光纖耦合器(15)通過其兩個(gè)輸出端分別與所述傳感探頭中的光纖光柵(24)和光電探測(cè)器(16)相連，從光纖光柵(24)反射的光由原路返回后經(jīng)第二個(gè)2×2光纖耦合器(15)與光電探測(cè)器(17)相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的光纖光柵傾斜角度傳感器，其特征在于所述的光纖耦合器的耦合比為1∶1。
3.按照權(quán)利要求1所述的光纖光柵傾斜角度傳感器，其特征在于所述的寬帶光源采用ASE光源。
全文摘要
一種光纖光柵傾斜角度傳感器，包括通過光纖耦合器鏈路相連的寬帶光源、兩個(gè)2×2光纖耦合器、傳感探頭、兩個(gè)光電探測(cè)器以及與光電探測(cè)器相連的信號(hào)處理單元。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是采用懸臂梁式重力擺結(jié)構(gòu)和“串聯(lián)反射型”光纖光柵傳感自解調(diào)技術(shù)。由于兩個(gè)參數(shù)相同的光纖光柵粘貼在懸臂梁上，并封裝于框架中，一是不易被破壞，提高了其使用壽命；二是起到了溫度補(bǔ)償作用，可減小環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響。另外本發(fā)明僅用兩只光纖光柵即實(shí)現(xiàn)了傳感又實(shí)現(xiàn)了解調(diào)，大大降低了光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度?？捎糜跈C(jī)器人傾斜姿態(tài)的測(cè)控、車載路面傾斜度測(cè)量?jī)x、大型工件表面安裝傾斜度測(cè)量等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01D5/353GK1603755SQ200410009719
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者趙勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)