[发明专利]一种FP干涉测量角量传感器

摘要

本发明公开了一种FP干涉测量角量传感器，包括转盘，所述转盘上的四周均贯穿有圆形磁栅尺，所述转盘的底部且与圆形磁栅尺相对应的位置设置有传感探头，所述传感探头的底部通过连接软管固定连接有第一圆筒外壳，并且第一圆筒外壳的底部连通有第二圆筒外壳，涉及光纤传感技术领域。该FP干涉测量角量传感器，极大的提高了线性位移的范围以及测量的角度，不仅研究了光纤光栅通过等强度梁、杠杆原理测量线位移以及温补问题，还可以更好的研究连续大范围测量问题与线位移与角量测量的转换，为以后的FP测量角量提供了更多更全面的文献参考，促进光纤科学研究的发展，为FP腔作为测量角量传感器开辟了一条新的道路。

主权项

1.一种FP干涉测量角量传感器，包括转盘(1)，其特征在于：所述转盘(1)上的四周均贯穿有圆形磁栅尺(2)，所述转盘(1)的底部且与圆形磁栅尺(2)相对应的位置设置有传感探头(3)，所述传感探头(3)的底部通过连接软管固定连接有第一圆筒外壳(4)，并且第一圆筒外壳(4)的底部连通有第二圆筒外壳(5)，所述第一圆筒外壳(4)内部的顶端活动连接有环氧树脂块(6)，并且环氧树脂块(6)的底部固定连接有第一APC(7)，所述第一APC(7)的表面且位于环氧树脂块(6)与挡板(8)之间固定连接有弹簧(13)，所述第一APC(7)的表面且位于第一圆筒外壳(4)的内部固定连接有挡板(8)，所述第一APC(7)的表面且位于第二圆筒外壳(5)的内部连通有FP腔(19)，所述第一APC(7)与第二圆筒外壳(5)底部的交界处连通有锥形管(14)，所述第一APC(7)远离环氧树脂块(6)的一端活动连接有第二APC(9)，并且第二APC(9)的一端设置有金属护套管(10)，所述金属护套管(10)的表面固定连接有塑料外壳(11)，所述塑料外壳(11)的内部且位于金属护套管(10)的一端固定连接有永磁体(12)。

2.根据权利要求1所述的一种FP干涉测量角量传感器，其特征在于：所述第一APC(7)远离环氧树脂块(6)的一端从上至下一次贯穿第一圆筒外壳(4)和第二圆筒外壳(5)且延伸至第二圆筒外壳(5)的外部。

3.一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、在直流电机(15)右端用电子测速仪(16)记录直流电机(15)的转角与转速；

S2、设置的八个永磁体(12)组成圆形磁栅尺(2)，圆形磁栅尺(2)固定在直流电机(15)的左端，直流电机(15)的磁头对准圆形磁栅尺(2)其中一个磁栅位置；

S3、ASE(17)光源发出的宽谱光经过光纤环形器(18)入射到FP腔(19)；

S4、直流电机(15)的传感探头(3)和FP腔(19)受与圆形磁栅尺(2)磁栅作用力产生形变，光谱分析仪(20)对反射谱通过解调仪(21)进行寻峰处理，并通过上位机软件将中心波长值解调为FP腔(19)的波谷变化。

4.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：在S1中，所述直流电机(15)通过电源模块(22)提供电能，并且直流电机(15)由电机控制器(23)进行速度的控制调节。

5.根据权利要求3述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：在S2中，所述圆形磁栅尺(2)上设置的转盘以5.625°的增量从0°旋转到360°，进行角度实验的静态校准，光谱分析仪(20)记录0°、15°、30°和45°旋转角的FP腔(19)的反射光谱，并拟合FP腔(19)波谷的变化。

6.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：所述光纤环形器(18)、光谱分析仪(20)和FP腔(19)的端口均与50:50耦合比的1×2耦合器(24)的端口连接。

7.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：所述P传感机理是基于波动光学中的多光束干涉，在光纤F‑P传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：

式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且

其中，n为腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角；

当反射率R很小时，(1)式可简化为

8.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：所述信号传递模型将FP腔垂直固定在录磁磁头中心，塑料外壳限制横向自由度，录磁磁头只有轴向应力的作用，磁体吸引物体或排斥物体所施的力即是磁力，而磁力的大小与磁体本身有着密不可分的关系；磁头与磁栅尺作用力可以描述为：

式中，F0为磁头与磁栅尺之间的最大作用力幅值，其值由永磁体本身性质和磁头与磁栅尺之间的距离决定；λm为磁栅周期；为磁头在磁性标尺上的位移量，可知双磁头之间相位相差90°：

结合式(3)、(4)、(5)及磁头受力平衡可以推出光纤F‑P传感器干涉波谷波长变化量ΔλB与磁头在磁性标尺上的位移量x之间的关系为：

式中，角量与F‑P传感器干涉波谷ΔλB是未知量；μ的值为0或1(为0代表正弦，为1代表余弦)；m是磁头的质量；g是引力常数：

由于位移量x与角量θ关系为：

式中，R为磁栅尺半径：

则F‑P传感器干涉波谷移位量ΔλB与磁头在磁性标尺上角量θ关系为：

Δλ_B＝υ*(F₀sinθ‑mg)    (7)

其中μ＝0或1。

9.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：所述根据图4和图5，拟合曲线得到一个特定的角度传递数学模型，得到FP腔波长变化与角度之间的关系如下：

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