專利名稱：全光纖干涉型轉鏡轉速傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感器技術領域,它特別涉及全光纖干涉型轉鏡轉速傳感器。
技術背景轉鏡式高速攝影機有納秒級的時間分辨本領,良好的空間分辨率,還有與被攝目標可以準 確同步、使用可靠、操作簡單等其他優(yōu)點。因此它在高速攝影儀器中占據(jù)重要的地位，被廣泛 應用于爆炸力學、高壓物理、實驗室等離子體、火花放電、新型激光光源和激光光譜學等領 域的研究(見譚顯祥，光學高速攝影側試技術,第一版，科學出版社，1 990年)。實驗測試工作中， 轉鏡相機主要用于測量被攝事件各部分間的微小時間差異或幾個獨立事件之間的時間間隔。 相機像面上的掃描速度是時間測量的基準。轉鏡式高速相機同步與速度傳感器組件是轉鏡式 高速相機的關鍵部件,其任務是完成轉鏡旋轉速度和所處位置的信號傳感，使轉鏡式高速相機 的控制系統(tǒng)能在此基礎上發(fā)出控制指令，使轉鏡式高速相機完成拍攝任務(滿光明，葉玉堂等. 高速轉鏡相機轉速測量的同步傳感系統(tǒng).強激光與粒子束,2006，Vol.l8，No. 1:11-14)。相機基本結構如圖l所示。被攝目標經(jīng)透鏡組、夾縫和轉鏡后成像在膠片面上。轉鏡轉 動過程中，被攝目標隨時間的變化現(xiàn)象以二維圖像的形式在膠片上表現(xiàn)出來。由于轉鏡式高速 攝影機中采用的反射鏡都有一定的厚度,隨著轉鏡的旋轉，反射后的像在膠片面上表現(xiàn)為非勻速運動，像的軌跡是一條Pascal蝸線，掃描速度方程為v = 2Z (l + "/￡cos(60) (1)其中L為相機的結構常量,a為轉鏡厚度的1/2， ^為入射主光軸與鏡面法線之間的夾角。v為 轉鏡的角速度?，F(xiàn)代科學實驗對時間信息的測量提出了極為嚴格的要求,對于高速轉鏡相機而言,其像面 上的掃描速度是時間測量的基準,為準確地分析相關物理現(xiàn)象,不僅需要精確地測量轉鏡的轉 速,還要準確地測定轉鏡旋轉一周內的掃描速度。目前常常通過測量相機轉鏡角速度w的方法, 再由公式(1)間接得到像面上的掃描線速度v。此外,相機還需要一個精確的同步信號，以提 高相機控制系統(tǒng)的精確度。同步信號可以采用速度傳感中的一路信號,容易實現(xiàn)。采用傳統(tǒng)的相機傳感器,如轉鏡角速度光電傳感器、轉鏡角速度磁場傳感器,在測量精度 及機械穩(wěn)定性上都不理想。轉軸角速度光電傳感器如圖2所示。該光電傳感器實現(xiàn)方法是在 轉鏡轉軸上打孔，轉軸一端固定激光器,另一端固定光探測器。轉鏡每轉動半周，孔的軸心方向 和激光束方向平行,探測器便會輸出一個脈沖信號，該脈沖經(jīng)過放大、整形后,求出相鄰兩脈沖 的時間間隔Ar,從而轉鏡角速度w-;r/Ar。這種方法在實際應用中，如果孔太小，則轉鏡的 抖動會造成探測器接收不到光脈沖；如擴大孔徑，脈沖上升沿的漂移就會變得嚴重。同時如果 該方法所使用的探測器光敏面較小，轉鏡的抖動可能會造成探測器接收不到光信號，所以要采 用光敏面較大的探測器，這又會降低探測器的光響應速率，因而傳感精度較低。此外,激光器和 探測器都需要安裝在靠近轉軸的地方,轉鏡需要潤滑油，高速轉動過程中，光路很容易受到污 染，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。轉鏡磁場傳感器的實現(xiàn)方法是在轉鏡轉軸上打孔,孔內固定一個良磁體，在轉軸附近安裝 有感應線圈。轉鏡在轉動過程中，磁體跟隨轉軸旋轉，轉鏡每轉過一周,感應線圈內便會產(chǎn)生一 個交變電流信號。同樣,轉鏡角速度通過w-2;r/Ar求得。這種方法有很多弊端，因為轉鏡需 要通過特種高速電機來驅動，因而在應用中該傳感系統(tǒng)會給電機磁場帶來干擾，同時傳感器本 身會受到外界的電磁干擾，導致測試結果誤差較大;另外，通過磁場感應所獲得的信號，其上升 沿變化緩慢，"信號己到"的判別,誤差就會較大;再者,轉鏡轉軸本身直徑比較小,安裝該傳感 系統(tǒng)后將會降低轉鏡的機械穩(wěn)定度。該系統(tǒng)難以滿足現(xiàn)代科技對目標瞬變現(xiàn)象時間精度的嚴格要求。由于種種原因，高速旋轉狀態(tài)下的轉鏡,其速度不可避免地產(chǎn)生一定的波動,采用上述 兩種方法,至少也是在轉鏡旋轉半周后傳感器才會獲得一個信號，即只能得轉鏡的轉速,而不 能測量轉鏡旋轉一周內的掃描速度，且轉速測量的不確定度只有千分之三,得到的測量結果不 能滿足現(xiàn)代科學分析對時間精度的需求。此外，在轉鏡相機中，為了機械加工的方便,膠片面采 用與蝸線密合的圓周線代替蝸線，這意味著式(1)中的W又是膠片面上掃描線速度的一個近 似值，所以測量結果存較大的偏差。為了克服傳統(tǒng)的相機傳感器測量結果精度低等缺陷，中國 發(fā)明專利(02133995. 3, —種測量掃描式轉鏡高速攝影機瞬時掃描速度的方法)將激光成像在 膠片邊緣，然后手工測量像點之間距離，費時費工,精度有一定程度的提高。發(fā)明內容本發(fā)明采用全光纖干涉型結構,其目的是提供一種靈敏度較高，操作方便,可實時工作的 方式以方便地測量膠片面上成像點對應時刻的即時線轉速，滿足瞬變的轉鏡轉速傳感器要求。 本發(fā)明的技術方案是用如下方法實現(xiàn)的包括計算機1,光源驅動器2,光源3,探測器4，電處 理模塊5,光纖環(huán)行器6, 2X2光纖耦合器7,1XN光纖耦合器8,帶準直器的N條光纖跳線9, 較長的帶準直器光纖跳線10,偏振控制器11和上述兩個耦合器之間的連接光纖12(如圖2所 示)。在高速轉鏡攝影機附近以一定的角度放置光纖跳線10，當轉鏡轉動時通過光纖跳線10 中的光經(jīng)過第一物鏡13 、第二物鏡14和轉鏡15成像在以一定的間隔放置在底片邊框16上 N條光纖跳線9之一的準直器中，即光纖跳線9和光纖跳線10相互之間構成空間光通道，與 反向傳播光形成全光纖干涉型薩格納克光連接。本發(fā)明的工作原理如圖2所示,計算機1控制光源驅動器2使光源3發(fā)射穩(wěn)定的連續(xù)激 光。激光穿過光纖環(huán)行器6進入2X2光纖耦合器7分成兩束, 一束光逆時針進入光纖跳線10， 另一束光順時針進入光纖12,入射到1 XN光纖耦合器8被分成N束光進入光纖跳線9。當轉 鏡轉動時某時刻總有兩束相反傳播的光經(jīng)過空間通道返回耦合器7干涉，干涉光經(jīng)過光纖環(huán) 行器6后被探測器4轉換為電信號，由電處理模塊5轉換為數(shù)字信號供計算機1分析處理。光 纖跳線9的第一跳線和光纖跳線10相互之間構成空間光通道的干涉信號作為傳感器的同步信 號,相鄰的干涉信號之間的時間差作為計算轉鏡轉動的時間依據(jù),偏振控制器11設置在2X2 光纖耦合器7的任意輸出路上，目的是調整光偏振態(tài)使干涉信號最大。由于在放置光跳線9后 將轉鏡勻速轉動獲得相鄰千涉信號之間的時間差計算出相鄰跳線之間的間隔距離作為標準， 以后的測量依此為依據(jù)就能計算一周內的動態(tài)掃描速度。激光通過空間通道會損耗大部分能量,盡管輸入的激光功率較高,但返回的干涉光信號較 弱,有利地適當增長光纖ll (光纖跳線10的長度幾乎等于光纖跳線9加光纖11的長度)的 長度使自發(fā)輻射的布里淵散射可以比擬通路形成的干涉光信號,這樣探測器接收的光功率增 加,使探測器始終處于工作線性區(qū)，提高了傳感器的信噪比，同時傳感器的有源器件遠離高速 攝影機,提高了抗干擾的能力。設轉鏡掃描速度v,光纖跳線9的準直器處的線速度為, A為 準直器所處的半徑與轉鏡所處的同心半徑之比,探測器帶寬A,A/D采樣頻率A/w,由信號處 理知識得w大于等于2，準直器有效直徑J ，這樣轉鏡掃描準直器時A/D采集的數(shù)據(jù)個數(shù)n為:""A—v) (2) 一般取w至少三個數(shù)據(jù)為依據(jù)設計傳感器參數(shù)。有利地2X2光纖耦合器7的干涉暗口接一路探測信號，與經(jīng)過光纖環(huán)行器6的明口構成 雙路解調，傳感器可以獲得更高的信噪比。上述的光源3優(yōu)選光纖激光器,光纖激光器光束質高功量好，高穩(wěn)定性和高功率； 上述的2 X 2光纖耦合器7優(yōu)選功分比1:1; 上述的1X N光纖耦合器8優(yōu)選功分比均分； 上述的探測器4及電處理模塊5優(yōu)選光通信的收模塊； 上述偏振控制器11優(yōu)選在線型偏振控制器。本發(fā)明的優(yōu)點① 、傳感器光路構成薩格納克干涉環(huán)，具有較強的抗溫度、振動變化，由于采用干涉測量， 其靈敏度較高，可以使用中等強度的激光光源(〈500mW)。② 、干涉信號中增加了自發(fā)輻射的布里淵散射功率達到了光通信收發(fā)模塊中接收功率水 平，因而可以使用低成本、高重頻率的光纖用戶局域網(wǎng)的探測模塊。③ 、傳感器的有源器件遠離高速攝影機，提高了抗干擾的能力。附圖及


圖1是高速轉鏡相機基本結構示意圖；圖2是本發(fā)明傳感器結構示意圖；圖3是本發(fā)明傳感器轉鏡一轉測試的t-V關系圖。圖中標號說明如下1-計算機 2-光源驅動器3-光源4-探測器5-電處理模塊6-光纖環(huán)行器 7- 2X2光纖耦合器 8-1 XN光纖耦合器 9-帶準直器的N條光纖跳線 10-較長的帶準直器光纖跳線 11-偏振控制器 12-連接光纖 13-高速轉鏡攝影機的第一物鏡14-第二物鏡15-轉鏡16-底片邊框 17-夾縫具體實施方式
參考圖2，本發(fā)明的轉鏡傳感器為實驗樣機,采用GSJ型高速相機,工作在《=30萬轉/分, 每轉200//J,轉鏡掃描速度v: 600戶/戸;采用制作光纖激光器的二極管泵浦固體激光器作激光光源3 (降低成本)，功率450mW，波長980"m,探測器帶寬100MHz，A/D采樣頻率 w二20MHzl0bit,時間間隔50ns，光纖準直器有效直徑J=L8mm,準直器所處的弧半徑與轉鏡所處的弧半徑之比A42。轉鏡轉動掃描光纖準直器時A/D獲得的數(shù)據(jù)個數(shù)為^y/04v)-5，光纖跳線9相鄰光信號的時間間隔均由第三個數(shù)據(jù)之間的時間間隔確定，時間間隔誤差小于50ns,每個位置上的平均速度的測量精度達50ra/200//y=0.025%。如圖3為測試所獲得的6個位置的t-V關系圖，A/D采集轉鏡每轉數(shù)據(jù)個數(shù)為w/a = 4000,圖3中壓縮了無意義的數(shù)據(jù)顯示。
權利要求
1、一種全光纖干涉型轉鏡轉速傳感器，包括計算機(1)，光源驅動器(2)，光源(3)，探測器(4)，電處理模塊(5)，光纖環(huán)行器(6)，2×2光纖耦合器(7)，1×N光纖耦合器(8)，帶準直器的N條光纖跳線(9)，較長的帶準直器光纖跳線(10)，偏振控制器(11)和上述兩個耦合器之間的連接光纖(12)。在高速轉鏡攝影機附近以一定的角度放置光纖跳線(10)，當轉鏡轉動時通過光纖跳線(10)中的光經(jīng)過第一物鏡(13)、第二物鏡(14)和轉鏡(15)成像在以一定的間隔放置在底片邊框(16)上N條光纖跳線(9)之一的準直器中，與反向傳播光形成全光纖干涉型薩格納克光連接。
2、 按權利要求1所述的傳感器，其特征在于偏振控制器(ll)優(yōu)選在線型偏振控制器。
3、 根據(jù)權利要求1所述的傳感器,其特征在于:2X2光纖耦合器(7)的干涉暗口接一路探測信 號，與經(jīng)過光纖環(huán)行器(6)的明口構成雙路解調。
4、 根據(jù)權利要求1所述的傳感器,其特征在于:適當增長連接光纖(12)使自發(fā)輻射的布里淵散 射可以比擬通路形成的干涉光信號。
5、 按權利要求1所述傳感器，其特征在于:光源(3)優(yōu)選二極管泵浦固體激光器或光纖激光器。
6、 按權利要求l所述傳感器，其特征在于傳感器中使用的耦合器優(yōu)選熔錐型光纖耦合器， 功分比優(yōu)選均分。
7、 按權利要求l所述的傳感器,其特征在于傳感器中使用的光纖是多模光纖，或者是單模光 纖，或者是保偏型光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開一種全光纖干涉型轉鏡轉速傳感器，包括計算機1，光源驅動器2，光源3，探測器4，電處理模塊5，光纖環(huán)行器6，2×2光纖耦合器7，1×N光纖耦合器8，帶準直器的N條光纖跳線9，較長的帶準直器光纖跳線10和偏振控制器11；在高速轉鏡攝影機附近以一定的角度放置光纖跳線10，當轉鏡轉動時通過光纖跳線10中的光經(jīng)過第一物鏡13、第二物鏡14和轉鏡15成像在以一定的間隔放置在底片邊框16上N條光纖跳線9之一的準直器中，與反向傳播光形成全光纖干涉型薩格納克光連接。其目的是提供一種靈敏度較高，操作方便，可實時工作的方式測量膠片面上成像點對應時刻的即時線轉速。
文檔編號G01P3/36GK101276139SQ200810044588
公開日2008年10月1日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權日2008年4月11日
發(fā)明者代志勇, 劉永智, 張利勛, 彭增壽, 歐中華 申請人:電子科技大學