專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖束位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于位移測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖束位移傳感器。該傳感器能對(duì)微小位移進(jìn)行高精度非接觸式測(cè)量，還可應(yīng)用于振動(dòng)、厚度和壓力的測(cè)量。
背景技術(shù)：
高精度非接觸式位移測(cè)量是微納技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和精密控制技術(shù)的關(guān)鍵，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括電測(cè)量技術(shù)和光學(xué)測(cè)量技術(shù)。電測(cè)量技術(shù)有電渦流式和電容式，它的最大缺點(diǎn)是受電磁干擾，這既影響了測(cè)量的精度，又限制了它的應(yīng)用范圍。光學(xué)測(cè)量技術(shù)主要包括激光干涉技術(shù)、焦深探測(cè)技術(shù)和光纖反射技術(shù)。激光干涉技術(shù)具有高分辨率，但它的精度和穩(wěn)定性依賴(lài)于光波波長(zhǎng)。焦深探測(cè)技術(shù)涉及到復(fù)雜的透鏡和棱鏡組合，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。而光纖反射技術(shù)是獲得高分辨率的最簡(jiǎn)單方法。
基于光強(qiáng)調(diào)制的光纖反射式傳感器具有抗電磁干擾、高精度、寬頻響、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和體積小的優(yōu)點(diǎn)。其光纖探頭由發(fā)射光纖和接收光纖組成。光經(jīng)發(fā)射光纖照射到被測(cè)體表面，反射光經(jīng)接收光纖進(jìn)入光接收器變?yōu)榕c接收光強(qiáng)成比例的電信號(hào)。接收到的反射光強(qiáng)隨光纖探頭端面與被測(cè)體反射面間的距離的變化而變化。于是傳感器的輸出信號(hào)就成為被測(cè)體位移的直接測(cè)量值。為了改善傳感器性能，探頭通常采用光纖束。
但是，這種基于絕對(duì)光強(qiáng)的位移測(cè)量技術(shù)大大影響了傳感器的靈敏度。典型的這種傳感器可見(jiàn)于美國(guó)專(zhuān)利U.S.3327584，U.S.3940608，U.S.4247764和U.S.4694160。它的弊端主要體現(xiàn)在以下幾方面1.光接收器接收到的反射光強(qiáng)不可避免地受到環(huán)境雜散光的干擾。
2.不同的被測(cè)體具有不同性質(zhì)的表面，它們的反射率各不相同，光纖反射式測(cè)量的位移特性曲線也各不相同，這就需要經(jīng)常校驗(yàn)傳感器。
3.光源的光強(qiáng)不可能始終保持恒定，電源的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致光源的波動(dòng)，而且長(zhǎng)時(shí)間后光強(qiáng)會(huì)有所下降。這也需校驗(yàn)或增加額外的光穩(wěn)電路以保證發(fā)射光強(qiáng)的基本恒定。
4.對(duì)光纖的彎曲、移動(dòng)或拉伸等會(huì)使光纖的傳輸損耗發(fā)生變化，從而導(dǎo)致纖端出射光強(qiáng)的波動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足之處，提供一種光纖束位移傳感器，該傳感器測(cè)量時(shí)不受環(huán)境光干擾、光源波動(dòng)、被測(cè)體表面反射率和光纖傳輸損耗的影響，可增大線性范圍和提高靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小位移的高精度非接觸式測(cè)量。
本實(shí)用新型提供的一種光纖束位移傳感器，其特征在于該位移傳感器包括載波發(fā)生電路、光源驅(qū)動(dòng)電路、光發(fā)射器、光纖束探頭、二個(gè)光接收器、二個(gè)鎖定放大電路和除法器。鎖定放大電路包括依次相連的交流放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路和低通濾波電路。光纖束探頭由多模光纖緊密集束而成，探頭后部分為三支，一支為發(fā)射光纖束，另二支分別為隨機(jī)型接收光纖束和同軸型接收光纖束。在探頭前端面上，發(fā)射光纖束和隨機(jī)型接收光纖束隨機(jī)排列為內(nèi)圈的圓盤(pán)形，同軸型接收光纖束排列為外圈的圓環(huán)形。載波發(fā)生電路產(chǎn)生固定頻率的載波信號(hào)分別輸出到光源驅(qū)動(dòng)電路和二個(gè)相敏檢波電路，所述載波信號(hào)通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器發(fā)出載波調(diào)制光，經(jīng)所述發(fā)射光纖束照射到位移反射面，隨位移量變化的反射光經(jīng)所述兩路接收光纖束返回到二個(gè)光接收器。光接收器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，依次經(jīng)各自的交流放大電路和帶通濾波電路放大和濾波后，與所述載波信號(hào)一起輸入各自的相敏檢波電路進(jìn)行精密檢波，再通過(guò)各自的低通濾波電路得到隨機(jī)型接收信號(hào)和同軸型接收信號(hào)，將這二個(gè)幅值解調(diào)信號(hào)一起輸入除法器，其比值作為測(cè)量的位移信號(hào)。
本實(shí)用新型采用的光纖束探頭與雙束型、雙同心圓型或半圓隨機(jī)型等光纖排列形式相比，同軸隨機(jī)型具有更小的探頭直徑，更大的線性范圍和更高的靈敏度，且測(cè)量起始距離幾乎為零。本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)光進(jìn)行載波調(diào)制和解調(diào)，消除了環(huán)境光等外界干擾信號(hào)的影響。通過(guò)對(duì)雙通道接收信號(hào)的除法運(yùn)算，消除了光源波動(dòng)、反射面反射率和光纖傳輸損耗的影響。同時(shí)，也增大了線性范圍，提高了靈敏度。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為光纖束探頭端面的A向視圖；圖3為鎖定放大電路的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施例。
如附圖所示，本實(shí)用新型的光纖束探頭9由若干根相同的多模光纖緊密集束而成。探頭后部分為三支，一支為發(fā)射光纖束，另二支為接收光纖束，在探頭前端面上，光纖束排列為同軸隨機(jī)型，即發(fā)射光纖束和一支接收光纖束隨機(jī)排列成內(nèi)圈的圓盤(pán)形，其中的接收光纖稱(chēng)為隨機(jī)型接收光纖12；另一支接收光纖束排列成外圈的圓環(huán)形，其中的接收光纖稱(chēng)為同軸型接收光纖13。光纖束探頭9采用不同數(shù)量的發(fā)射光纖11、隨機(jī)型接收光纖12和同軸型接收光纖13，可以得到不同量程的位移傳感器。
載波發(fā)生電路5產(chǎn)生固定頻率的載波信號(hào)分別輸出到光源驅(qū)動(dòng)電路4和二個(gè)相敏檢波電路16、16’，所述載波信號(hào)通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)電路4驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器3發(fā)出載波調(diào)制光，經(jīng)所述發(fā)射光纖束照射到位移反射面10，隨位移量變化的反射光經(jīng)所述兩路接收光纖束返回到二個(gè)光接收器1、2，光接收器1、2將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，依次經(jīng)各自的交流放大電路14、14’和帶通濾波電路15、15’放大和濾波后，與所述載波信號(hào)一起輸入各自的相敏檢波電路16、16’進(jìn)行精密檢波，再通過(guò)各自的低通濾波電路17、17’得到隨機(jī)型接收信號(hào)和同軸型接收信號(hào)，將這二個(gè)幅值解調(diào)信號(hào)一起輸入除法器8，其比值作為測(cè)量的位移信號(hào)。
一個(gè)具體實(shí)施例如下光纖束探頭9由390根相同的玻璃光纖組成，每根光纖均為多模階躍型，數(shù)值孔徑0.63，直徑50μm，包層厚度1.5μm。在探頭前端面上，內(nèi)圈由65根發(fā)射光纖11和65根接收光纖12隨機(jī)緊密排列而成，外圈由260根接收光纖13同軸緊密包圍內(nèi)圈，外層套上一段不可彎曲的薄不銹鋼管14。在探頭后部，發(fā)射光纖束耦合至光發(fā)射器3，內(nèi)圈的隨機(jī)型接收光纖束耦合至光接收器1，外圈的同軸型接收光纖束耦合至光接收器2。光發(fā)射和接收器件均采用Agilent模塊，光發(fā)射器為HFBR-1527，兩個(gè)光接收器選用HFBR-2526。
權(quán)利要求1.一種光纖束位移傳感器，其特征在于該位移傳感器包括載波發(fā)生電路(5)、光源驅(qū)動(dòng)電路(4)、光發(fā)射器(3)、光纖束探頭(9)、二個(gè)光接收器(1、2)、二個(gè)鎖定放大電路(6、7)和除法器(8)；鎖定放大電路(6、7)包括依次相連的交流放大電路(14)、帶通濾波電路(15)、相敏檢波電路(16)和低通濾波電路(17)；光纖束探頭(9)由多模光纖緊密集束而成，探頭后部分為三支，一支為發(fā)射光纖束(11)，另二支分別為隨機(jī)型接收光纖束(12)和同軸型接收光纖束(13)，在探頭前端面上，發(fā)射光纖束(11)和隨機(jī)型接收光纖束(12)隨機(jī)排列為內(nèi)圈的圓盤(pán)形，同軸型接收光纖束(13)排列為外圈的圓環(huán)形；載波發(fā)生電路(5)產(chǎn)生固定頻率的載波信號(hào)分別輸出到光源驅(qū)動(dòng)電路(4)和二個(gè)相敏檢波電路(16、16’)，所述載波信號(hào)通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)電路(4)驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器(3)發(fā)出載波調(diào)制光，經(jīng)所述發(fā)射光纖束照射到位移反射面(10)，隨位移量變化的反射光經(jīng)所述兩路接收光纖束返回到二個(gè)光接收器(1、2)，光接收器(1、2)將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，依次經(jīng)各自的交流放大電路(14、14’)和帶通濾波電路(15、15’)放大和濾波后，與所述載波信號(hào)一起輸入各自的相敏檢波電路(16、16’)進(jìn)行精密檢波，再通過(guò)各自的低通濾波電路(17、17’)得到隨機(jī)型接收信號(hào)和同軸型接收信號(hào)，將這二個(gè)幅值解調(diào)信號(hào)一起輸入除法器(8)，其比值作為測(cè)量的位移信號(hào)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種光纖束位移傳感器，其光纖束探頭由多模光纖緊密集束而成，探頭后部分為三支，一支用于發(fā)射，兩支用于接收，光纖束在探頭前端面排列為同軸隨機(jī)型。光發(fā)射器發(fā)出載波調(diào)制光經(jīng)發(fā)射光纖束照射到位移反射面，隨位移量變化的反射光經(jīng)兩路接收光纖束返回到兩光接收器，光接收器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)各自的鎖定放大電路放大、解調(diào)和濾波，最后一起輸入除法器，將得到的比值作為位移信號(hào)。本實(shí)用新型除具有抗電磁干擾、高精度、寬頻響、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和體積小的優(yōu)點(diǎn)外，還具有測(cè)量結(jié)果與環(huán)境光干擾、光源波動(dòng)、被測(cè)體表面反射率和光纖傳輸損耗無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，特別適于微小位移的非接觸式精密測(cè)量，還可應(yīng)用于振動(dòng)、厚度和壓力的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/02GK2681083SQ20042001724
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月24日
發(fā)明者陳幼平, 周祖德, 張岡, 曹匯敏, 謝經(jīng)明, 艾武, 余文勇 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)