[发明专利]光纤位移传感器

说明书

本发明属于光纤位移传感器件。

现有的光纤位移传感器用得最多的是反射式光强调制型。主要由光源、光纤传输系统和光电接收器所组成。其结构形式可分为三大类，但主要差别乃是光纤传输系统有所不同。

第一类光纤传输系统为单根光纤与一个Y型光纤耦合器联接。光源发射光经过耦合器的输入端（Y型头部的一个分岔）进入光纤，由光纤出射后射向物体，物体反射光也由该光纤接收反向传输到耦合器，由耦合器输出端（Y型头部的另一个分岔）传输到光电接收器。

第二类光纤传输系统是去掉上述第一类中的Y型耦合器，而直接由传输光源发射光的光纤（单根或多根，以下简称发射光纤）和传输物体反射光的光纤（单根或多根，以下简称信号光纤）按照一定规律排列，组合成Y型光缆，Y型光缆的两个分支，一个是发射光纤，与光源耦合;另一个是信号光纤，与光电接收器耦合，Y型光缆的主干（竖部）是二者合成的光缆。目前该主干部分已有多种排列形式;常见的有：双光纤排列型，即一根发射光纤与一根信号光纤并在一起;同轴排列型，即一根发射光纤位于中心，多根信号光纤圆对称地排列在发射光纤周围;双半圆排列型，即发射光纤与接收光纤分别排列成半圆柱型，两个半圆柱叠合成一个圆柱型;随机排列型，即发射光纤与信号光纤随机排列组合成一个圆柱。这类位移传感器中，光源的光由发射光纤传输到物体，物体的反射光由信号光纤直接收集并传输至光电接收器，光电接收器输出信号的变化则反映出物体相对于光纤端面的距离变化。

第一类和第二类光纤位移传感器的一个主要缺点是可测的物体位移量不大，光纤端面离开物体表面距离较小。

第三类是在前述两类光纤传感器的光纤端面与物体之间加入一个聚焦光学系统，例如专利号为U.S.3940608的美国专利，就是加入一个大孔径的聚焦光学系统。此类传感器可测量较远距离、较大位移的物体。但因加入聚焦光学系统，使位移与接收到的反射光能量变化的对应关系和第一、二类相比，有较大变化。

上述三类传感器有一个共同的缺点，即光源输出光能量的波动、反射物体表面反射率变化及外界干扰将造成较大的测量误差。

本发明的目的是为了克服上述三类传感器的缺点而设计出一种能有效消除光源波动和物体表面反射率变化所造成的测量误差的新型光纤位移传感器。此传感器又可大大减小外界干扰的影响。

本发明的技术方案是采用单光源、双光路和双探头的光纤系统。具体方案是由光源1、光纤传输系统2、聚焦光学系统3、光电接收器4与5和信号处理系统6组成光纤位移传感器。其中，光源1发出的光进入光纤传输系统2，该系统是由一段发射光纤A经Y型光纤耦合器B分成两路发射光纤A₁、A₂，在这两路发射光纤的出射端分别加入传输被测物体反射光的信号光纤C₁、C₂，构成两个探头，这两个探头均为发射光纤在中心，信号光纤圆对称地围绕在四周的同轴型排列，并把它们固定在一个带有8字形内孔的圆筒内。安装时，仔细调整两个探头的位置，使两个端面平行，而且前后相距一定的距离△和横向距离d。其中，距离△由传感器的动态范围决定，而距离d由光纤的数值孔径和距离△值共同决定。两个探头与物体间加入聚焦光学系统。进入光纤传输系统的光，由发射光纤A₁和A₂出射后，经聚焦光学系统射向被测的物体，该物体的反射光再由聚焦光学系统送至两个探头。两个配对的光电接收器分别接收两个探头的信号光纤C₁，C₂传输的信号，并将所对应的光强I₁与I₂变成电信号送至信号处理系统6，采用（I₁-I₂）/（I₁+I₂）的方法进行处理。信号处理的结果与物体位移量的对应关系接近线性，并有效地消除了光源输出光能量波动和反射物体反射率变化对测量结果的影响，同时也大大减小了外界干扰带来的影响。

本发明的优点是在检测的结果中消除了光源光能量的波动和反射物体表面反射率的变化对测量的影响，同时又大大减小了外界干扰对测量结果的影响，因而测量结果的准确性和精度都比现有技术高。