專利名稱：一種光纖傳感微距測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測試測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種微距測量系統(tǒng)，特別涉及ー種光纖傳感微距測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳感器是ー種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理?xiàng)l件(如光、熱、濕度)或化學(xué)組成(如煙霧)，井能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器ニ大類。傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。按照傳感器用途分類，傳感器可分為壓カ敏和力敏傳感器位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅髂芎膫鞲衅?、速度傳感器加速度傳感器、射線輻射傳感器熱敏傳感器、24GHz雷達(dá)傳感器
坐寸o傳感器有兩個比較 重要的特性傳感器靜態(tài)特性、傳感器動態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。(I)線性度指傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。(2)靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的ー個重要指標(biāo)。其定義為輸出量的増量與引起該增量的相應(yīng)輸入量増量之比。用S表示靈敏度。(3)遲滯傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。(4)重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化吋，所得特性曲線不一致的程度。(5)漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；ニ是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)。所謂動態(tài)特性是指傳感器在輸入變化吋，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。由于傳感器的上述特點(diǎn)，傳感器已經(jīng)在大量應(yīng)用于各個領(lǐng)域。如距離測試領(lǐng)域。傳統(tǒng)的距離測試，一般選擇米尺或者游標(biāo)卡尺等長度計(jì)量工具，但測試精度不高，測試費(fèi)時費(fèi)力，工作效率低，甚至?xí)绊懝ぷ骰蚬こ痰倪M(jìn)度。在此情況下，出現(xiàn)了ー種基于光纖傳感原理的距離測量儀器，利用激光，來測量長度，精度高，使用方便。然而，現(xiàn)有的基于光纖傳感原理的距離測量儀器在某些人接觸不到的場所無法測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的g在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是解決光纖傳感微距測量系統(tǒng)在距離測量中存在的問題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了ー種光纖傳感微距測量系統(tǒng)，包括光源、光探測器、傳感器探針、反射単元、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊、處理模塊；所述傳感器探針接收光源發(fā)出的入射光，經(jīng)處理后，將得到的反射光發(fā)送至光探測器；所述光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后，通過無線發(fā)射模塊、無線接收模塊發(fā)送至處理模塊；所述處理模塊根據(jù)光探測器接收的光信號大小與光纖端面至反射面的距離存在的設(shè)定函數(shù)關(guān)系測量距離。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述傳感器探針包括ー根單模光纖、一根或多根多模光纖；所述光源發(fā)射出來的光經(jīng)由單模光纖傳至反射単元，在反射單元產(chǎn)生反射，反射光被所述ー根或多根多模光 纖接收，接收的光信號經(jīng)由多模光纖傳至光探測器。其中，所述單模光纖與光源連接，多模光纖與光探測器連接；傳感器探針通過機(jī)械部件固定在傳感器探頭內(nèi)。所述ー根或多根多模光纖與所述單模光纖平行。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述傳感器探頭一端封裝平行的ー根單模光纖和至少一根多模光纖，成為一個探針。其中，所述傳感器探頭另一端的一根或多根多模光纖和一光探測器封裝耦合，單模光纖的另一端熔接一 FC/APC光纖連接頭；在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述光源為1550nmDFB激光器；所述光探測器為PIN光電ニ極管；所述處理模塊為計(jì)算機(jī)。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括光纖耦合器，分別連接光源、光探測器、傳感器探針。通過本發(fā)明提出的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，結(jié)合無線發(fā)射和無線接收裝置，可以工作在野外比較惡劣的環(huán)境，長時間工作，實(shí)現(xiàn)微小距離或物體位移的無人監(jiān)測并預(yù)警。可以用于測量大型液壓芯筒距離變化，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的游標(biāo)卡尺測量，并且可隨時監(jiān)測距離的變化，既解放了人力，又提高了工作效率；也可以廣泛應(yīng)用于大壩，鐵軌等可能發(fā)生位置微小偏移的場所，時刻監(jiān)測大壩和鐵軌位置的變化，對保護(hù)人民生命和財產(chǎn)安全能起到巨大的作用，并產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于系統(tǒng)包括光源、光探測器和傳感器探針，傳感器探針接收光源發(fā)出的入射光，經(jīng)處理后，將得到的反射光發(fā)送至光探測器；當(dāng)探針與反射鏡表面的距離發(fā)生變化時，光探測器接收的光功率將相應(yīng)發(fā)生變化。根據(jù)變化的功率值和對應(yīng)的光纖端面到反射鏡的距離可以確定長度的變化值。經(jīng)過信號處理以后，由無線發(fā)射裝置發(fā)出，無線接收裝置接收，在電腦上顯示。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為光纖傳感微距測量系統(tǒng)組成框圖；圖2為光信號的傳輸示意圖；圖3為光纖傳感裝置的光路示意圖；圖4為光纖傳感器探頭部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為傳感器探針中光路的反射示意圖；圖6為光纖端面至反射面的距離d與反射光功率曲線示意
圖7為反射率曲線示意圖；圖8為光纖傳感器控制盒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為光纖傳感微距測量系統(tǒng)的組成示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。本發(fā)明的主要創(chuàng)新之處在于，本發(fā)明創(chuàng)新地提出了新型的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，可以適用于野外比較惡劣的環(huán)境，在遠(yuǎn)端實(shí)時對微小距離的無人監(jiān)控并預(yù)警。請參閱圖1，本發(fā)明掲示一種光纖傳感微距測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感裝置10、無線發(fā)射模塊20、無線接收模塊30、處理模塊40。傳感裝置10包括光源11、光探測器14、傳感器探針17、反射単元15。本實(shí)施例中，所述光源11為1550nm DFB激光器，所述光探測器14為PIN光電ニ極管，所述反射単元15為反射鏡，所述處理模塊40為計(jì)算機(jī)。所述傳感器探針17包括ー根單模光纖12、一根或多根多模光纖13 ;所述ー根或多根多模光纖13與所述單模光纖12平行。所述單模光纖12與光源11連接，多模光纖13與光探測器14連接。請繼續(xù)參閱圖1，本發(fā)明系統(tǒng)的作用過程為所述光源11發(fā)射出來的光經(jīng)由單模光纖12傳至反射単元15，在反射単元15產(chǎn)生反射，反射光被所述ー根或多根多模光纖13接收，接收的光信號經(jīng)由多模光纖13傳至光探測器14。所述光電探測器14將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后，通過無線發(fā)射模塊20、無線接收模塊30發(fā)送至處理模塊40。所述處理模塊40根據(jù)光探測器14接收的光信號大小與光纖端面至反射面的距離存在的設(shè)定函數(shù)關(guān)系進(jìn)行距離測量，并在設(shè)定條件發(fā)生后發(fā)出預(yù)警信號。請參閱圖2，圖2掲示了光信號在光路中的傳輸方向，其中從光源11發(fā)出的1550nm光信號沿著單模光纖12傳輸，被安裝在光纖傳感器探頭內(nèi)的光學(xué)反射鏡15反射，反射回來的激光被多模光纖13接收，然后傳輸至光探測器14。所述系統(tǒng)還包括光纖耦合器16，分別連接光源11、光探測器14、傳感器探針17。光源11發(fā)出來的光信號沿單模光纖傳輸至反射鏡，產(chǎn)生反射，反射光被多模光纖13的端面接收，再沿著多模光纖傳輸至光探測器14。請參閱圖3，圖3為光纖傳感裝置的光路示意圖，單模光纖12和多模光纖13的一個端面是平行的；另一端，單模光纖12與光源11耦合，多模光纖13與光探測器14耦合。單模光纖和多模光纖的一端與反射鏡的距離產(chǎn)生變化，光探測器接收反射光的功率大小也將產(chǎn)生變化。請參閱圖4，傳感器探針17通過機(jī)械部件固定在傳感器探頭內(nèi)；傳感器探頭包括傳感器探針17、反射鏡以及機(jī)械部件等，所述機(jī)械部件包括滑塊、傳動桿、精密彈簧等。傳動桿的一端受到壓力作用的時候，能夠在滑塊上自由移動，從而固定在另一端的反射鏡也跟著移動，改變反射鏡與傳感器探針的距離。傳感器探針固定在光纖連接器上，與固定在傳動桿端面上的反射鏡在一條水平線上，從而實(shí)現(xiàn)探針和反射鏡的對接。光學(xué)反射鏡15通過粘膠固定在傳動桿的一端，反射鏡表面鍍招或鍍銀，對波長為1550nm的激光反射率大于99%。本實(shí)施例中，所述傳感器探頭的一端封裝平行的一根單模光纖和至少ー根多模光纖，成為ー個探針；所述傳感器探頭另一端的一根或多根多模光纖和一光探測器封裝耦合，單模光纖的另一端熔接一 FC/APC光纖連接頭。請參閱圖5，圖5為光纖傳感器探針的示意圖。傳感器探針內(nèi)封裝有ー根單模光纖和至少ー根多模光纖，當(dāng)從光源發(fā)出的光信號沿單模光纖傳輸至反射鏡時產(chǎn)生反射，反射回來的光進(jìn)入多模光纖，由于多模光纖的芯徑比較大，能夠接受更多的反射光信號，反射光信號在多模光纖傳輸，最終被光探測器接收。當(dāng)入射光光功率一定時，光探測器接收的反射光功率的大小與d成一定的函數(shù)關(guān)系。請參閱圖6，圖6為光纖端面和反射鏡表面兩者之間的距離d與反射光功率的關(guān)系曲線，若數(shù)據(jù)做好校準(zhǔn)以后，根據(jù)光探測器接收的光功率值，可以得到光纖端面至反射鏡的距離值，從數(shù)據(jù)和曲線能看出，能夠達(dá)到的精度是微米數(shù)量級，利用這個規(guī)律，可以很精確的測量出長度。請參閱圖7，圖7為輸入光功率為3mW、5mW、7mW時反射率曲線，反射鏡的表面反射率由反射表面的鍍膜材料決定?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)位移平臺旋轉(zhuǎn)螺絲，使得圖4中探頭傳動桿將前后移動，從而使傳動桿的另一端的反射鏡與光纖端面的距離發(fā)生變化，然后根據(jù)光功率的值的變化，得到位移變化的距離；在實(shí)際測量中，傳感器探頭的傳動桿另一端與需要測試的物體接觸，若待測物發(fā)生位移，從而使傳動桿位置發(fā)生變化，導(dǎo)致傳動桿另一端的反射鏡與光纖端面距離變化，得到了物體實(shí)際移動的距離。
如圖8所示，圖8為光纖傳感器控制盒，做成產(chǎn)品以后，光源、光探測器、電源、電路控制部分、無線發(fā)射裝置等都放置在盒內(nèi)，包括1550nm激光器、PIN光電ニ極管、9V可充電電池，以及電路部分等都集成封裝在盒內(nèi)。請參閱圖9，圖9為光纖傳感微距測量系統(tǒng)的電路流程圖，包括激光器的驅(qū)動，光信號的接受和信號處理等部分。MCU連接電源EMI處理模塊、激光器驅(qū)動模塊、ZIGBEE無線發(fā)送模塊，激光器驅(qū)動模塊、激光器、測量ro傳感器組、高精度放大模塊、RC低通濾波模塊、MCU依次連接，ZIGBEE無線發(fā)送模塊、ZIGBEE無線接收模塊、計(jì)算機(jī)依次連接。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的 范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，包括光源、光探測器、傳感器探針、反射單元、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊、處理模塊 所述傳感器探針接收光源發(fā)出的入射光，經(jīng)處理后，將得到的反射光發(fā)送至光探測器； 所述光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后，通過無線發(fā)射模塊、無線接收模塊發(fā)送至處理模塊； 所述處理模塊根據(jù)光探測器接收的光信號大小與光纖端面至反射面的距離存在的設(shè)定函數(shù)關(guān)系測量距離。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器探針包括一根單模光纖、一根或多根多模光纖；所述光源發(fā)射出來的光經(jīng)由單模光纖傳至反射單元，在反射單元產(chǎn)生反射，反射光被所述一根或多根多模光纖接收，接收的光信號經(jīng)由多模光纖傳至光探測器。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，所述單模光纖與光源連接，多模光纖與光探測器連接；傳感器探針通過機(jī)械部件固定在傳感器探頭內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，所述一根或多根多模光纖與所述單模光纖平行。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器探頭一端封裝平行的一根單模光纖和至少一根多模光纖，成為一個探針。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器探頭另一端的一根或多根多模光纖和一光探測器封裝耦合，單模光纖的另一端熔接一 FC/APC光纖連接頭;
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為1550nm DFB 激光器。
8.如權(quán)利要求1至6之一所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光探測器為PIN光電二極管。
9.如權(quán)利要求1至6之一所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，所述處理模塊為計(jì)算機(jī)。
10.如權(quán)利要求1至6之一所述的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括光纖耦合器，分別連接光源、光探測器、傳感器探針。
全文摘要
本發(fā)明提出一種光纖傳感微距測量系統(tǒng)，包括光源、光探測器、傳感器探針、反射單元、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊、處理模塊；所述傳感器探針接收光源發(fā)出的入射光，經(jīng)處理后，將得到的反射光發(fā)送至光探測器；所述光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后，通過無線發(fā)射模塊、無線接收模塊發(fā)送至處理模塊；所述處理模塊根據(jù)光探測器接收的光信號大小與光纖端面至反射面的距離存在的設(shè)定函數(shù)關(guān)系測量距離。通過本發(fā)明提出的光纖傳感微距測量系統(tǒng)，可工作在野外比較惡劣的環(huán)境，長時間工作，實(shí)現(xiàn)微小距離或物體位移的無人監(jiān)測并預(yù)警。本發(fā)明可用于測量大型液壓芯筒距離變化，并且可隨時監(jiān)測距離的變化，既解放了人力，又提高了工作效率。
文檔編號G01B11/02GK103047934SQ20111031067
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者柳濤, 左廣輝, 方習(xí)貴, 王建偉 申請人:無錫阿斯特科技有限公司