專利名稱：：一種基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種光纖角位移傳感器及測(cè)量方法，屬于物理學(xué)、光學(xué)、光電子學(xué)、精密儀器及檢測(cè)技術(shù)專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)的角位移測(cè)量方法主要有機(jī)械測(cè)量、電磁測(cè)量和光學(xué)測(cè)量三種方法。其中機(jī)械測(cè)量方法自動(dòng)化程度較低，電磁測(cè)量方法抗電磁干擾能力較弱；相比之下，由于光學(xué)檢測(cè)技術(shù)具有快速、精度和靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而使其在傾斜角度測(cè)量領(lǐng)域受到眾多研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)界的青睞。例如[FangXiaoyong,CaoMaosheng，“Theoreticalanalysisof2Dlaseranglesensorandseveraldesignparameters",OpticsandLaserTechnology,34(3)，225-229(2002)]，利用直角棱錐的分光技術(shù)，把入射光分成幾組相互垂直的衍射光，利用干涉條紋的位置變化實(shí)現(xiàn)傾斜角度測(cè)量。目前利用光學(xué)法測(cè)量?jī)A斜角度的方法大多需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較昂貴的儀器，而且測(cè)量系統(tǒng)的體積較大。香港學(xué)者[Bai-OuGuan，Hwa-YawTam,Shun-YeeLiu,“Temperature-IndependentFiberBraggGratingTiltSensor，，，IEEEPhotonicsTechnologyLetters,16(1)，224-226(2004)]提出了一種基于光纖光柵傳感原理的傾斜角度測(cè)量方法，和傳統(tǒng)的激光測(cè)量方法相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成本有所改善，但這種方法依然存在以下技術(shù)問(wèn)題和缺陷①光纖光柵沒(méi)有附著在任何載體上而直接受力，容易發(fā)生斷裂；②沒(méi)有采用溫度補(bǔ)償措施，使系統(tǒng)容易受環(huán)境溫度影響；③系統(tǒng)需要使用額外的解調(diào)裝置才能進(jìn)行測(cè)量，從而增加了光纖光柵的使用數(shù)量、系統(tǒng)的體積和成本；④光源光強(qiáng)變化會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。⑤需要將傳感器置于被測(cè)傾斜物之上，屬于接觸式測(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足之處，采用由十字型排列的兩排光纖陣列構(gòu)成的十字形探頭結(jié)構(gòu)，各接收光纖接收光強(qiáng)隨被測(cè)角位移改變，通過(guò)對(duì)各光纖接收光強(qiáng)進(jìn)行高斯擬合確定反射光斑中心位置，進(jìn)而得到被測(cè)角位移?？梢杂行砻娣瓷湎禂?shù)變化、光源波動(dòng)以及雜散光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量線性度和魯棒性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測(cè)量方法，包括光源系統(tǒng)、傳感器單元和信號(hào)處理單元，所述的傳感器單元包括入射光纖、含光纖陣列的傳感器探頭、光電接收器CCD；所述的光纖陣列由13根光纖按十字形排列；所述的入射光纖為普通單模通信光纖，一端與光源相連，另一端位于傳感器探頭中光纖陣列的中心位置；光纖陳列中的其它12根光纖都是多模光纖，并以入射光纖為中心，按十字形均勻分布排列在入射光纖周圍，作為接收光纖組，接收被測(cè)角位移引起的反射光信號(hào)，它們的另一端與光電接收器CCD相連；所述的光電接收器CCD與所述的信號(hào)處理單元相連。本發(fā)明所述的光源采用中心波長(zhǎng)為650nm的LD激光光源，所述的單模發(fā)射光纖纖芯/包層直徑為9um/125um,多模接收光纖纖芯/包層直徑為62.5um/125um。所述的CCD為低暗電流的，信噪比為56dB。所述的光纖陣列中光纖之間的間距為135i!m。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)①可以實(shí)現(xiàn)二維的微角位移測(cè)量。②由于是利用光斑位置變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量，因此避免了光源波動(dòng)、光纖擾動(dòng)等對(duì)傳感器測(cè)量特性的影響。③裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)新穎、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)、易于普及。④傳感器探頭中的光纖陣列采用單模光纖作為發(fā)射光纖，多模光纖作為接收光纖，提高了測(cè)量的橫向分辨力和信噪比。圖1為本發(fā)明提供的十字形光纖陣列探頭的角位移測(cè)量系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明中光斑中心與接收光纖之間的位置關(guān)系示意圖。圖3為利用本發(fā)明的微角位移傳感器探頭光路圖。圖4為利用本發(fā)明的角位移與光斑中心位置關(guān)系仿真圖。圖5為利用本發(fā)明實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各光纖接收最大光強(qiáng)結(jié)果。圖6為利用本發(fā)明補(bǔ)償方法前角位移變化時(shí)各光纖接收光強(qiáng)高斯擬合曲線。圖7為利用本發(fā)明補(bǔ)償方法后角位移變化時(shí)各光纖接收光強(qiáng)高斯擬合曲線。圖8為利用本發(fā)明補(bǔ)償方法前接收光斑中心位置隨角位移變化曲線。圖9為利用本發(fā)明補(bǔ)償方法后接收光斑中心位置隨角位移變化曲線。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及測(cè)量過(guò)程作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的光纖角位移傳感器原理如圖1所示。被測(cè)角位移由固定在微驅(qū)動(dòng)臺(tái)上的正三棱鏡給出。為了測(cè)量二維角位移，設(shè)計(jì)十字形光纖陣列傳感探頭如圖1所示。探頭中心為單模出射光纖(以提高測(cè)量分辨率)，以其為中心分別沿x軸、y軸方向正交對(duì)稱分布四排多模接收光纖，記為XpXyYpt。選多模光纖為接收光纖以提高對(duì)信號(hào)光的接收能力。由激光器發(fā)出的可見(jiàn)光經(jīng)耦合后進(jìn)入十字形光纖傳感探頭中心的單模光纖，出射后打在待測(cè)傾斜三棱鏡表面，反射光反射至探頭的十字型多模光纖陣列處，并被多模光纖接收。由CCD光電接收器檢測(cè)多模光纖陣列接收到的多個(gè)光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理程序以及高斯擬合算法，可以得到光斑中心位置。由光斑中心位置與角位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可完成對(duì)角位移的測(cè)量。被測(cè)角位移的變化導(dǎo)致反射光束在接收光纖陣列端面光斑的移動(dòng)。接收光斑的光強(qiáng)分布近似為高斯分布可以由三個(gè)特征參量描述峰值光功率A2、有效半寬％及峰值光功率的實(shí)際位置X(l，表達(dá)式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>光斑中心位置可以通過(guò)記錄各光纖位置及其接收光強(qiáng)，如圖2以3跟接收光纖為例，記錄各光纖纖芯位置及其接收光強(qiáng)(Xl，I(Xl))、(x2，I(x2))、(x3，I(X3))，在這三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的基礎(chǔ)上做高斯擬合，即可得到光斑中心位置X(l。將正三棱鏡的邊長(zhǎng)記為b，折射率記為n，被測(cè)角位移設(shè)為0。根據(jù)如圖3所示的幾何關(guān)系，被測(cè)角位移與光斑中心位置之間的關(guān)系如下x0=^sin/|]Vn)(2)根據(jù)(2)式仿真得到被測(cè)角位移與光斑中心位置間關(guān)系如圖4所示。由仿真結(jié)果可見(jiàn)在光纖陣列的可測(cè)范圍內(nèi)，被測(cè)角位移與光斑中心位置呈近似線性關(guān)系。為了驗(yàn)證上面提出的微角位移測(cè)量方法的可行性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中選用的單模出射光纖和多模接收光纖的尺寸分別為9/125ym和62.5/125um。選用低暗電流的(XD作為光電接收器。正三棱鏡的邊長(zhǎng)為20mm。光源選用中心波長(zhǎng)為650nm的激光器。以微驅(qū)動(dòng)臺(tái)給出被測(cè)角位移，以固定步長(zhǎng)改變X方向被測(cè)角位移，測(cè)量每種角位移情況下各光纖接收光強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6數(shù)據(jù)點(diǎn)所示。對(duì)每種角位移情況下各光纖接收光強(qiáng)進(jìn)行高斯擬合，得到擬合結(jié)果曲線如圖6所示，該擬合結(jié)果反映了光斑功率分布情況。理想情況下，被測(cè)角位移改變時(shí)出射光斑中心位置線性移動(dòng)，且出射光斑功率不變，故各接收光纖接收最大光強(qiáng)一致。但是由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各光纖接收最大光強(qiáng)差別較大，分析認(rèn)為原因是各接收光纖傳輸功率損耗不同。而傳輸功率損耗的不同直接影響到對(duì)光斑中心位置的定位，從而影響測(cè)量微角位移的精度。因此，需要對(duì)各多模接收光纖的傳輸功率損耗進(jìn)行測(cè)量。由于傳感器探頭將各多模光纖封裝在一起，不能采用傳統(tǒng)的傳輸功率損耗測(cè)量方法，如切斷法、插入損耗法。本文提出高斯擬合式傳輸功率損耗測(cè)量方法，具體方法如下將一功率穩(wěn)定的光斑按固定步長(zhǎng)沿平行于X軸(Y軸)掃描移動(dòng)，記錄各光纖在光斑移動(dòng)過(guò)程中接收光強(qiáng)，對(duì)每根光纖記錄的一組光強(qiáng)進(jìn)行高斯擬合，得到的峰值功率即為其接收最大光強(qiáng)，這個(gè)光強(qiáng)與出射光斑最大光強(qiáng)的比值即為該光纖傳輸功率損耗。圖5為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各光纖接收最大光強(qiáng)。傳輸功率損耗的不同直接影響對(duì)光斑中心位置的定位，從而影響測(cè)量微角位移的精度。因此，需要根據(jù)測(cè)得的各光纖傳輸功率損耗，對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償系數(shù)定義為傳輸功率損耗相對(duì)歸一化系數(shù)，計(jì)算方法為，各光纖接收最大光強(qiáng)的最大值/各光纖接收最大光強(qiáng)。各光纖相對(duì)歸一化系數(shù)如表1所示。補(bǔ)償方法即將實(shí)驗(yàn)記錄各光纖接收光強(qiáng)分別乘以相應(yīng)的相對(duì)歸一化系數(shù)。表1各光纖相對(duì)歸一化系數(shù)1234657891011121.63011.83231.09751.13091.23091.00001.61651.25891.91582.36461.59781.9704圖6為未經(jīng)補(bǔ)償時(shí)微角位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)初始數(shù)據(jù)，微角位移改變時(shí)，記錄各接收光纖接收光強(qiáng)，經(jīng)高斯擬合后得到各角位移情況下接收光強(qiáng)分布曲線。圖7為經(jīng)過(guò)傳輸功率損耗補(bǔ)償后，經(jīng)高斯擬合得到的角位移變化時(shí)接收光強(qiáng)分布。對(duì)比圖6、圖7可見(jiàn)，補(bǔ)償后比補(bǔ)償前各曲線峰值更加一致，符合實(shí)際物理情況，說(shuō)明上述基于傳輸功率損耗的補(bǔ)償方法有效。對(duì)于補(bǔ)償前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)高斯擬合結(jié)果，得到不同角位移情況下，接收光斑的中心位置，如表2所示。表2補(bǔ)償前后不同角位移對(duì)應(yīng)接收光斑中心位置與理論值比較<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>分別將補(bǔ)償前后測(cè)量結(jié)果與理想情況對(duì)比，結(jié)果如圖8、圖9所示，其中實(shí)線為仿真得到的理想情況下的測(cè)量結(jié)果。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，補(bǔ)償前平均測(cè)量誤差為0.012354mm,補(bǔ)償后平均測(cè)量誤差為0.001112mm?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)傳輸功率損耗補(bǔ)償，角位移測(cè)量精度明顯提高。測(cè)量誤差可能來(lái)源包括角位移方向與光纖陣列不平行、連接頭耦合效率波動(dòng)，(XD探測(cè)誤差等。權(quán)利要求一種基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測(cè)量方法，包括光源系統(tǒng)、傳感器單元和信號(hào)處理單元，所述的傳感器單元包括入射光纖(13)、含光纖陣列的傳感器探頭(14)、光電接收器CCD(15)；所述的光纖陣列由13根光纖組成；所述的入射光纖(13)為普通單模通信光纖，一端與光源(11)相連，另一端位于傳感器探頭(14)中光纖陣列的中心位置；光纖陣列中的其它12根光纖都是多模光纖，并以入射光纖為中心，分布在其周圍，作為接收光纖組，接收被測(cè)角位移引起的反射光信號(hào)，它們的另一端與光電接收器CCD(15)相連；所述的光電接收器CCD(15)與所述的信號(hào)處理單元(16)相連。2.按照權(quán)利要求1所述的基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測(cè)量方法，其特征在于所述的光纖陣列中的13根光纖按十字形結(jié)構(gòu)排列，其中入射光纖在十字形結(jié)構(gòu)的中心，其他12根接收光纖對(duì)稱均布在十字形結(jié)構(gòu)的周圍。3.按照權(quán)利要求1或2所述的基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測(cè)量方法，其特征在于所述的光源采用中心波長(zhǎng)為650nm的LD激光光源，所述的單模發(fā)射光纖纖芯/包層直徑為9um/125um,多模接收光纖纖芯/包層直徑為62.5um/125um。4.按照權(quán)利要求1或2所述的基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測(cè)量方法，其特征在于所述的CCD為低暗電流的，信噪比為56dB。所述的光纖陣列中光纖之間的間距為135um。全文摘要一種基于光纖陣列的反射式角位移傳感器及測(cè)量方法，本發(fā)明屬于光電檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
。由光源11及其驅(qū)動(dòng)電路12、入射光纖13、含光纖陣列的傳感器探頭14、光電接收器CCD15、信號(hào)處理單元16及計(jì)算機(jī)17組成。其特點(diǎn)是傳感器探頭14中的光纖陣列成十字形排列，十字中心的入射光纖13為普通單模通信光纖，其他作為接收光纖都是多模光纖。傳感器探頭14中的多模光纖陣列接收被測(cè)傾斜面反射的光信號(hào)，并將其傳送至光電接收器CCD15。該傳感器能分別檢測(cè)到沿x軸和y軸方向的二維傾斜角度變化?；诟咚箶M合算法，通過(guò)識(shí)別接收光斑的能量中心位置檢測(cè)對(duì)應(yīng)的角位移，避免了光源強(qiáng)度波動(dòng)、光纖傳輸損耗等問(wèn)題給測(cè)量帶來(lái)的誤差。文檔編號(hào)G01B11/26GK101799282SQ201010157568公開(kāi)日2010年8月11日申請(qǐng)日期2010年4月28日優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日發(fā)明者趙勇申請(qǐng)人:東北大學(xué)