[发明专利]一种基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤角位移传感器及测量方法，属于物理学、光学、光电子学、精密仪器及检测技术专业教学实验仪器技术领域。

背景技术

传统的角位移测量方法主要有机械测量、电磁测量和光学测量三种方法。其中机械测量方法自动化程度较低，电磁测量方法抗电磁干扰能力较弱；相比之下，由于光学检测技术具有快速、精度和灵敏度高、抗电磁干扰等优点而使其在倾斜角度测量领域受到众多研究机构和工业界的青睐。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)]，利用直角棱锥的分光技术，把入射光分成几组相互垂直的衍射光，利用干涉条纹的位置变化实现倾斜角度测量。

目前利用光学法测量倾斜角度的方法大多需要复杂的结构和较昂贵的仪器，而且测量系统的体积较大。香港学者[Bai-OuGuan，Hwa-Yaw Tam，Shun-Yee Liu，“Temperature-Independent Fiber Bragg Grating Tilt Sensor”，IEEE Photonics TechnologyLetters，16(1)，224-226(2004)]提出了一种基于光纤光栅传感原理的倾斜角度测量方法，和传统的激光测量方法相比，结构复杂度和成本有所改善，但这种方法依然存在以下技术问题和缺陷：①光纤光栅没有附着在任何载体上而直接受力，容易发生断裂；②没有采用温度补偿措施，使系统容易受环境温度影响；③系统需要使用额外的解调装置才能进行测量，从而增加了光纤光栅的使用数量、系统的体积和成本；④光源光强变化会影响测量结果。⑤需要将传感器置于被测倾斜物之上，属于接触式测量。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，采用由十字型排列的两排光纤阵列构成的十字形探头结构，各接收光纤接收光强随被测角位移改变，通过对各光纤接收光强进行高斯拟合确定反射光斑中心位置，进而得到被测角位移。可以有效消除表面反射系数变化、光源波动以及杂散光对测量结果的影响，提高测量线性度和鲁棒性。

本发明的技术方案如下：

一种基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法，包括光源系统、传感器单元和信号处理单元，所述的传感器单元包括入射光纤、含光纤阵列的传感器探头、光电接收器CCD；所述的光纤阵列由13根光纤按十字形排列；所述的入射光纤为普通单模通信光纤，一端与光源相连，另一端位于传感器探头中光纤阵列的中心位置；光纤陈列中的其它12根光纤都是多模光纤，并以入射光纤为中心，按十字形均匀分布排列在入射光纤周围，作为接收光纤组，接收被测角位移引起的反射光信号，它们的另一端与光电接收器CCD相连；所述的光电接收器CCD与所述的信号处理单元相连。

本发明所述的光源采用中心波长为650nm的LD激光光源，所述的单模发射光纤纤芯/包层直径为9μm/125μm，多模接收光纤纤芯/包层直径为62.5μm/125μm。所述的CCD为低暗电流的，信噪比为56dB。所述的光纤阵列中光纤之间的间距为135μm。

本发明具有如下特点：①可以实现二维的微角位移测量。②由于是利用光斑位置变化实现测量，因此避免了光源波动、光纤扰动等对传感器测量特性的影响。③装置结构简单、设计新颖、成本较低、实用性强、易于普及。④传感器探头中的光纤阵列采用单模光纤作为发射光纤，多模光纤作为接收光纤，提高了测量的横向分辨力和信噪比。

附图说明

图1为本发明提供的十字形光纤阵列探头的角位移测量系统示意图。

图2为本发明中光斑中心与接收光纤之间的位置关系示意图。

图3为利用本发明的微角位移传感器探头光路图。

图4为利用本发明的角位移与光斑中心位置关系仿真图。

图5为利用本发明实验测得的各光纤接收最大光强结果。

图6为利用本发明补偿方法前角位移变化时各光纤接收光强高斯拟合曲线。

图7为利用本发明补偿方法后角位移变化时各光纤接收光强高斯拟合曲线。

图8为利用本发明补偿方法前接收光斑中心位置随角位移变化曲线。

图9为利用本发明补偿方法后接收光斑中心位置随角位移变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、原理以及测量过程作进一步的说明。