專利名稱：一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位移測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
目前，在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro Electro Mechanical Systems)等精密儀器中， 系統(tǒng)部件之間的相對(duì)位移通常需要被準(zhǔn)確測(cè)量。位移測(cè)量方法及種類較多，例如，根據(jù)傳感器變換原理，可分為電容式、光柵、千分 表、編碼器、光纖、激光干涉等。其中，光纖作為一種新式的傳感器，由于其具有結(jié)構(gòu)輕便，測(cè) 量原理簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，測(cè)量精度較高等綜合優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。光纖傳感器可以分為兩大類1、功能型傳感器功能型傳感器利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)?光進(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制過 的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但須用特殊光纖， 成本高。2、非功能型傳感器非功能型傳感器利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介 質(zhì)，常采用單模光纖。其具有無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)、比較容易實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)， 但靈敏度較低。另外，MEMS等精密儀器的特性還要求位移測(cè)量具有較好的穩(wěn)定性總之，需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個(gè)技術(shù)問題就是如何能夠提供一種結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、且靈敏度高、穩(wěn)定性高的光纖位移測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，該測(cè)量系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，并且可以實(shí)現(xiàn)靈敏度高、穩(wěn)定性高的光纖位移測(cè)量。為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)，包括光纖光強(qiáng)調(diào)制模塊(100)，包括光源(11)、分束鏡(12)、透鏡組(13)、發(fā)射光纖和接收光纖(15)；位移傳感模塊(200)，包括探測(cè)頭(210)；及信號(hào)檢測(cè)與控制模塊(300)，包括反饋探測(cè)板(31)、接收探測(cè)板(32)和信號(hào)處理 板(33)；其中，光源(11)輸出的光束經(jīng)分束鏡(12)分成兩路第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板 (31)傳輸至信號(hào)處理板(33)，由信號(hào)處理板(33)根據(jù)檢測(cè)得到的第一路光束的輸出功率 變化，對(duì)光源(11)進(jìn)行反饋電壓控制；第二路光束經(jīng)透鏡組(13)耦合至發(fā)射光纖(14)；當(dāng)待測(cè)物體位移變化時(shí)，探測(cè)頭(210)依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移變化的輸出位移，由所述輸出位移對(duì)發(fā)射光纖(14)的輸出光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制；所述調(diào)制后的輸出 光束經(jīng)接收光纖(15)和接收探測(cè)板(32)，傳輸至信號(hào)處理板(33)，由信號(hào)處理板(33)處 理得到位移測(cè)量結(jié)果。優(yōu)選的，所述探測(cè)頭(210)包括探針(21)、滑桿(22)、導(dǎo)向架(23)和微檔板(24)；當(dāng)待測(cè)物體位移變化ΔΗ時(shí)，探針(21)帶動(dòng)滑桿(22)沿導(dǎo)向架(23)升降，所述 位置升降變化Δ Z傳遞到微檔板(24)，其中，位置升降變化Δ Z為所述位移變化Δ H的輸出 位移。優(yōu)選的，所述探測(cè)頭(210)的數(shù)目為多組，其中，每組探測(cè)頭(210)具有不同的位 移傳動(dòng)比。優(yōu)選的，所述發(fā)射光纖(14)和接收光纖(15)中心同軸。優(yōu)選的，所述反饋探測(cè)板(31)包括第一光電探測(cè)器，用于對(duì)第一路光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第一電壓；所述接收探測(cè)板(32)包括第二光電探測(cè)器，用于對(duì)接收光纖(15)輸出的光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第
二電壓。優(yōu)選的，所述信號(hào)處理板(33)包括A/D采集單元，用于采集光電探測(cè)器輸出的第二電壓，并通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字電
信號(hào)；處理單元，用于依據(jù)待測(cè)物體位移變化與數(shù)字電信號(hào)的線性關(guān)系，得到位移測(cè)量結(jié)果。另一方面，本發(fā)明還公開了一種光纖位移測(cè)量方法，包括調(diào)整探測(cè)頭(210)的初始位置，得到探測(cè)頭(210)與待測(cè)物體的工作距離；光源(11)輸出的光束經(jīng)分束鏡(12)分成兩路第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板(31)傳 輸至信號(hào)處理板(33)，由信號(hào)處理板(33)根據(jù)檢測(cè)得到的第一路光束的輸出功率變化，對(duì) 光源(11)進(jìn)行反饋電壓控制；第二路光束經(jīng)透鏡組(13)耦合至發(fā)射光纖(14)；當(dāng)待測(cè)物體位移變化時(shí)，探測(cè)頭(210)依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移變化的 輸出位移，由所述輸出位移對(duì)發(fā)射光纖(14)的輸出光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制；所述調(diào)制后的輸出光束經(jīng)接收光纖(15)和接收探測(cè)板(32)，傳輸至信號(hào)處理板，由信號(hào)處理板(33)處理得到位移測(cè)量結(jié)果。優(yōu)選的，所述探測(cè)頭包括探針(21)、滑桿(22)、導(dǎo)向架(23)和微檔板(24)；所述依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移變化的輸出位移的步驟為，當(dāng)待測(cè)物體位移變化ΔΗ時(shí)，探針(21)帶動(dòng)滑桿(22)沿導(dǎo)向架(23)升降，所述 位置升降變化Δ Z傳遞到微檔板(24)，其中，位置升降變化Δ Z為所述位移變化Δ H的輸出 位移。優(yōu)選的，所述探測(cè)頭(210)的數(shù)目為多組，其中，每組探測(cè)頭(210)具有不同的位 移傳動(dòng)比；所述方法還包括根據(jù)待測(cè)物體的位移范圍，選擇一組探測(cè)頭(210)，并針對(duì)該組探測(cè)頭(210)執(zhí)行
調(diào)整步驟。
優(yōu)選的，所述第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板(31)傳輸至信號(hào)處理板(33)的步驟，包 括對(duì)所述第一路光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第一電壓；將所述第一電壓傳輸至信號(hào)處理板(33)。優(yōu)選的，所述調(diào)制后的輸出光束經(jīng)接收光纖(15)和接收探測(cè)板(32)，傳輸至信號(hào) 處理板(33)的步驟，包括對(duì)接收光纖15)輸出的光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第二電壓；將所述第二電壓傳輸至信號(hào)處理板(33)。優(yōu)選的，所述信號(hào)處理板(33)處理得到位移測(cè)量結(jié)果的步驟，包括采集光電探測(cè)器輸出的第二電壓，并通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字電信號(hào)；依據(jù)待測(cè)物體位移變化與數(shù)字電信號(hào)的線性關(guān)系，得到位移測(cè)量結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)首先，本發(fā)明利用光纖光強(qiáng)調(diào)制將被位移量轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化的檢測(cè)，作為非功能 型傳感器的一種，光纖光強(qiáng)調(diào)制模塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)、溫度等 影響不敏感的優(yōu)點(diǎn)；其次，由于光功率探測(cè)板的分辨率能夠決定系統(tǒng)的位移測(cè)量分辨率，因此，本發(fā)明 可以通過設(shè)置信號(hào)處理板中反饋探測(cè)板和接收探測(cè)板的結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到< _50dBm的檢測(cè) 靈敏度，以達(dá)到精密測(cè)量的目的；再者，由于本發(fā)明的位移傳感模塊可以利用機(jī)械設(shè)計(jì)，設(shè)置多組不同位移傳動(dòng)比 的探測(cè)頭，因此可通過多量程靈活切換，來實(shí)現(xiàn)多量程位移檢測(cè)，從而擴(kuò)大系統(tǒng)測(cè)量兼容性 及應(yīng)用范圍；最后，本發(fā)明的信號(hào)處理板可以是DSP處理板，該DSP處理板可以實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量結(jié) 果輸出、線性擬合標(biāo)定、光源自穩(wěn)定控制，減少外界環(huán)境干擾等功能，且能夠提高系統(tǒng)的集 成性與便攜化。


圖1是本發(fā)明一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用示例；圖3是本發(fā)明一種光纖位移測(cè)量方法實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明實(shí)施例的核心構(gòu)思之一在于利用光纖光強(qiáng)調(diào)制將被位移量轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變 化的檢測(cè)，作為非功能型傳感器的一種，光纖光強(qiáng)調(diào)制模塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)， 并且，所述光強(qiáng)變化的檢測(cè)可以提高靈敏度。參照?qǐng)D1，示出了本發(fā)明一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖，具體可以包括光纖光強(qiáng)調(diào)制模塊100，具體可以包括光源11、分束鏡12、透鏡組13、發(fā)射光纖 14和接收光纖15 ；
位移傳感模塊200，具體可以包括探測(cè)頭210 ；及信號(hào)檢測(cè)與控制模塊300，具體可以包括反饋探測(cè)板31、接收探測(cè)板32和信號(hào)處 理板33 ；其中，光源11輸出的光束經(jīng)分束鏡12分成兩路第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板31傳 輸至信號(hào)處理板33，由信號(hào)處理板33根據(jù)檢測(cè)得到的第一路光束的輸出功率變化，對(duì)光源 11進(jìn)行反饋電壓控制；第二路光束經(jīng)透鏡組13耦合至發(fā)射光纖14 ；當(dāng)待測(cè)物體位移變化時(shí)，探測(cè)頭210依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移變化的輸 出位移，由所述輸出位移對(duì)發(fā)射光纖14的輸出光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制；所述調(diào)制后的輸出光束 經(jīng)接收光纖15和接收探測(cè)板32，傳輸至信號(hào)處理板33，由信號(hào)處理板33處理得到位移測(cè) 量結(jié)果。參照?qǐng)D2，在本發(fā)明的一種應(yīng)用示例中，本例中，所述信號(hào)處理板33可以為DSP處 理板，以提高系統(tǒng)的集成性與便攜化；所述探測(cè)頭210可以進(jìn)一步包括探針21、滑桿22、導(dǎo) 向架23和微檔板24，其中，探針21可以拆卸、安裝，通常情況下，微檔板24可用不透光材料 制成，其厚度可以為幾十微米。這樣，當(dāng)待測(cè)物體位移變化Δ H時(shí)，探針21可以帶動(dòng)滑桿22沿導(dǎo)向架23升降，所 述位置升降變化ΔΖ傳遞到微檔板24，其中，位置升降變化ΔΖ可以為所述位移變化ΔΗ的 輸出位移。在實(shí)際中，光源11可以使用半導(dǎo)體激光二極管或者發(fā)光二極管(LED，Light Emitting Diode)。作為光功率探測(cè)板，所述反饋探測(cè)板31可用于檢測(cè)分束鏡12反射的第一路光束， 在具體實(shí)現(xiàn)中，所述反饋探測(cè)板31可以進(jìn)一步包括第一光電探測(cè)器，用于對(duì)第一路光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第一電壓；同理，接收探測(cè)板32可將接收光纖15的輸出光束光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，所述 接收探測(cè)板32可以進(jìn)一步包括第二光電探測(cè)器，用于對(duì)接收光纖15輸出的光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第二 電壓。其中，所述第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器可以使用硅光電二極管(PIN， positive-intrinsic negative diode)或雪崩二極管(APD，Avalanche Photo Diode)。另外，所述反饋探測(cè)板31和接收探測(cè)板32中還可以包括I/V(電流/電壓)放 大電路、濾波器等，本發(fā)明對(duì)光功率探測(cè)板的具體結(jié)構(gòu)不加以限制。由于光功率探測(cè)板的分辨率能夠決定系統(tǒng)的位移測(cè)量分辨率，因此，本發(fā)明可以 通過設(shè)置所述反饋探測(cè)板31和接收探測(cè)板32的結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到< _50dBm的檢測(cè)靈敏度， 以達(dá)到精密測(cè)量的目的。對(duì)于信號(hào)處理板33，其主要具有兩個(gè)功能一、信號(hào)處理板33可以用于對(duì)來自接收探測(cè)板32的第二電壓(模擬電壓)信號(hào) 進(jìn)行A/D (模/數(shù))變換及信號(hào)處理，最終得到表征待測(cè)物體位移的測(cè)量結(jié)果；具體地，所述信號(hào)處理板33可以包括如下結(jié)構(gòu)單元A/D采集單元，用于采集光電探測(cè)器輸出的第二電壓，并通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字電
信號(hào)；
處理單元，用于依據(jù)待測(cè)物體位移變化與數(shù)字電信號(hào)的線性關(guān)系，得到位移測(cè)量結(jié)果。二、信號(hào)處理板33還可以對(duì)來自反饋探測(cè)板31的第一電壓(模擬電壓)信號(hào)進(jìn) 行A/D (模/數(shù))變換及信號(hào)處理，并通過信號(hào)處理結(jié)果反饋控制直流穩(wěn)壓源的輸出電壓， 從而保證光源11輸出光束穩(wěn)定，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的位移測(cè)量精度和穩(wěn)定性；另外，信號(hào)處理板33還可以具有檢測(cè)位移與電壓的非線性擬合以及系統(tǒng)標(biāo)定校 準(zhǔn)等功能。再者，本示例中所述探測(cè)頭210的數(shù)目可以為3組，其中，每組探測(cè)頭210可以具 有不同的位移傳動(dòng)比；這樣，位移傳感模塊200可進(jìn)行不同量程的相互切換，擴(kuò)大位移測(cè)量 的適用范圍?？梢岳斫?，所述探測(cè)頭210的數(shù)目不限于3，它還可以是2或者4、5、6等，本發(fā)明對(duì) 此不加以限制。為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，以下通過另一示例說明所述測(cè)量系統(tǒng)的 工作流程，具體可以包括步驟Si、根據(jù)待測(cè)物體樣品位移范圍，選擇一組探測(cè)頭210，并相應(yīng)安裝固定探針 21 ；在實(shí)際中，待測(cè)物體樣品可以代表對(duì)應(yīng)待測(cè)物體的普遍品質(zhì)，例如，所述普遍品質(zhì) 可以包括物體的物理特性、化學(xué)組成等；但是，與對(duì)應(yīng)待測(cè)物體不同的是，待測(cè)物體樣品可 具有已知位移屬性，其中，所述已知位移屬性可以為1個(gè)(例如10 μ m)，也可以為多個(gè)(例 如10μπι、20μπι...，100μπι等)；以下主要以具有多個(gè)已知位移屬性的待測(cè)物體樣品為例 進(jìn)行說明。步驟S2、打開光源11，進(jìn)行預(yù)熱；步驟S3、將反饋探測(cè)板31和接收探測(cè)板32分別與信號(hào)處理板33接口可靠連接；步驟S4、反饋探測(cè)板31、接收探測(cè)板32和DSP處理板電源供電，開始工作；步驟S5、調(diào)整探測(cè)頭210初始位置，使探針21與待測(cè)物體樣品保證合適工作距離， 進(jìn)入工作狀態(tài)； 步驟S6、啟動(dòng)DSP處理板；步驟S7、在測(cè)量過程中，光源11輸出的光束經(jīng)分束鏡12分成兩路，其中的第一路 光束經(jīng)反饋探測(cè)板31傳輸至信號(hào)處理板33，由信號(hào)處理板33根據(jù)檢測(cè)得到的第一路光束 的輸出功率變化，對(duì)光源11進(jìn)行伺服反饋；步驟S8、其中的第二路光束經(jīng)透鏡組13準(zhǔn)直、匯聚后，耦合到發(fā)射光纖14，假設(shè)發(fā) 射光纖14輸出的第二路光束的光強(qiáng)為W2 ；步驟S9、當(dāng)待測(cè)物體樣品位移Δ H時(shí)，通過接觸式測(cè)量方式，探針21帶動(dòng)滑桿22 沿導(dǎo)向架23升降，并按照自身位移傳動(dòng)比，引起微檔板24位置升降變化Δ Z ；步驟S10、微檔板24的位置升降變化Δ Z對(duì)發(fā)射光纖14的輸出光強(qiáng)W2進(jìn)行調(diào)制；步驟S11、接收光纖15接收輸出光強(qiáng)W2后，將其傳輸至接收探測(cè)板32 ；步驟S12、接收探測(cè)板32進(jìn)行光電變換得到第二電壓Ul ；步驟S13、信號(hào)處理板33通過接口采集電壓U1，并進(jìn)行A/D變換及信號(hào)處理，可得 到表征待測(cè)物體樣品位移的檢測(cè)電壓UO ；
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步驟S14、信號(hào)處理板33利用待測(cè)物體樣品中已知位移屬性ΔΗ與檢測(cè)電壓UO的 線性關(guān)系，得到標(biāo)定曲線；步驟S15、針對(duì)與所述待測(cè)物體樣品相同的待測(cè)物體，重復(fù)執(zhí)行步驟1-步驟13，得 到表征待測(cè)物體位移的檢測(cè)電壓UO ；步驟S16、信號(hào)處理板33根據(jù)所述標(biāo)定曲線，得到待測(cè)物體位移Δ H與檢測(cè)電壓 UO的線性關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)位移精密測(cè)量。在實(shí)際中，可以對(duì)所述標(biāo)定曲線進(jìn)行擬合，得到所述線性關(guān)系。這樣，可以將所述 標(biāo)定曲線看作是多個(gè)線段的疊加，因此，已知位移屬性△ H與檢測(cè)電壓UO在某個(gè)檢測(cè)電壓 區(qū)間段具有線性關(guān)系；例如，已知位移屬性ΔΗ(μπι) =KX檢測(cè)電壓UO (mV)，如線性系數(shù)K 為1/1000，則當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到50mv的電壓變化時(shí)，則對(duì)應(yīng)位移變化50nm?；蛘撸€可以根據(jù)針對(duì)待測(cè)物體樣品多次測(cè)量得到的平均標(biāo)定曲線，制作檢測(cè)電 壓UO到待測(cè)物體位移Δ H的查找表，這樣，步驟S16查找即可得到待測(cè)物體位移Δ H。在實(shí)際中，可以用圖2中的測(cè)量曲線表示最終得到的位移測(cè)量結(jié)果?？梢岳斫?，上述示例并不限于接觸式測(cè)量，它還可以是非接觸式測(cè)量，或者，輕敲 式測(cè)量等，本發(fā)明對(duì)具體的測(cè)量方式不加以限制。在具體實(shí)施例，所述測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)單元可選擇如下配置(1)光源11選擇綠光，輸出功率500mW ；光電探測(cè)器選用Model 840型光功率計(jì)， 最高分辨率達(dá)IOpW ；(2)發(fā)射光纖14和接收光纖15選擇帶接頭和尾線的62 μ m纖芯的多模光纖；按照以上配置，測(cè)量系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)可達(dá)(1)位移測(cè)量范圍100μπι/500μπι/1_ ；(2)位移測(cè)量精度50nm/0. 2μπι/0· 5μπι。與前述系統(tǒng)實(shí)施例相應(yīng)，本發(fā)明還公開了一種光纖位移測(cè)量方法，參照?qǐng)D3，具體 可以包括步驟301、調(diào)整探測(cè)頭210的初始位置，得到探測(cè)頭210與待測(cè)物體的工作距離；步驟302、光源11輸出的光束經(jīng)分束鏡12分成兩路第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板31 傳輸至信號(hào)處理板33，由信號(hào)處理板33根據(jù)檢測(cè)得到的第一路光束的輸出功率變化，對(duì)光 源11進(jìn)行反饋電壓控制；第二路光束經(jīng)透鏡組13耦合至發(fā)射光纖14 ；所述第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板31傳輸至信號(hào)處理板33的步驟，可以包括首先，對(duì)所述第一路光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第一電壓；然后，將所述第一電壓傳輸至信號(hào)處理板33。步驟303、當(dāng)待測(cè)物體位移變化時(shí)，探測(cè)頭210依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移 變化的輸出位移，由所述輸出位移對(duì)發(fā)射光纖14的輸出光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制；在具體實(shí)現(xiàn)中，所述探測(cè)頭可以包括探針21、滑桿22、導(dǎo)向架23和微檔板24等結(jié) 構(gòu)；這樣，所述依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移變化的輸出位移的步驟可以為，當(dāng) 待測(cè)物體位移變化△ H時(shí)，探針21帶動(dòng)滑桿22沿導(dǎo)向架23升降，所述位置升降變化Δ Z 傳遞到微檔板24，其中，位置升降變化ΔΖ為所述位移變化ΔΗ的輸出位移。步驟304、所述調(diào)制后的輸出光束經(jīng)接收光纖15和接收探測(cè)板32，傳輸至信號(hào)處理板33，由信號(hào)處理板33處理得到位移測(cè)量結(jié)果。在實(shí)際中，所述調(diào)制后的輸出光束經(jīng)接收光纖15和接收探測(cè)板32，傳輸至信號(hào)處 理板33的步驟，具體可以包括首先，對(duì)接收光纖15輸出的光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第二電壓；然后，將所述第二電壓傳輸至信號(hào)處理板33。而所述信號(hào)處理板33處理得到位移測(cè)量結(jié)果的步驟，具體可以包括采集光電探 測(cè)器輸出的第二電壓，并通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字電信號(hào)；依據(jù)待測(cè)物體位移變化與數(shù)字電 信號(hào)的線性關(guān)系，得到位移測(cè)量結(jié)果。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，所述探測(cè)頭210的數(shù)目可以為多組，其中，每組探 測(cè)頭210可以具有不同的位移傳動(dòng)比；這樣，探測(cè)頭210可進(jìn)行不同量程的相互切換，擴(kuò)大 位移測(cè)量的適用范圍。相應(yīng)地，在步驟301前，所述方法還可以包括根據(jù)待測(cè)物體的位移范圍，選擇一組探測(cè)頭210，并針對(duì)該組探測(cè)頭210執(zhí)行調(diào)整步驟。本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與 其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可。對(duì)于方法實(shí)施例 而言，由于其與系統(tǒng)實(shí)施例基本相似，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部 分說明即可。本發(fā)明可以應(yīng)用于MEMS等精密儀器中系統(tǒng)部件之間的相對(duì)位移測(cè)量，以及用于 其它各種精密位移測(cè)量。以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本 文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于 幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思 想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì) 本發(fā)明的限制。
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權(quán)利要求
一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括光纖光強(qiáng)調(diào)制模塊(100)，包括光源(11)、分束鏡(12)、透鏡組(13)、發(fā)射光纖(14)和接收光纖(15)；位移傳感模塊(200)，包括探測(cè)頭(210)；及信號(hào)檢測(cè)與控制模塊(300)，包括反饋探測(cè)板(31)、接收探測(cè)板(32)和信號(hào)處理板(33)；其中，光源(11)輸出的光束經(jīng)分束鏡(12)分成兩路第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板(31)傳輸至信號(hào)處理板(33)，由信號(hào)處理板(33)根據(jù)檢測(cè)得到的第一路光束的輸出功率變化，對(duì)光源(11)進(jìn)行反饋電壓控制；第二路光束經(jīng)透鏡組(13)耦合至發(fā)射光纖(14)；當(dāng)待測(cè)物體位移變化時(shí)，探測(cè)頭(210)依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移變化的輸出位移，由所述輸出位移對(duì)發(fā)射光纖(14)的輸出光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制；所述調(diào)制后的輸出光束經(jīng)接收光纖(15)和接收探測(cè)板(32)，傳輸至信號(hào)處理板(33)，由信號(hào)處理板(33)處理得到位移測(cè)量結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)頭(210)包括探針(21)、滑桿 (22)、導(dǎo)向架(23)和微檔板(24)；當(dāng)待測(cè)物體位移變化ΔΗ時(shí)，探針(21)帶動(dòng)滑桿(22)沿導(dǎo)向架(23)升降，所述位置 升降變化ΔΖ傳遞到微檔板(24)，其中，位置升降變化ΔΖ為所述位移變化ΔΗ的輸出位移。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)頭(210)的數(shù)目為多組，其中，每組 探測(cè)頭(210)具有不同的位移傳動(dòng)比。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射光纖(14)和接收光纖(15)中心同軸ο
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述反饋探測(cè)板(31)包括 第一光電探測(cè)器，用于對(duì)第一路光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第一電壓； 所述接收探測(cè)板(32)包括第二光電探測(cè)器，用于對(duì)接收光纖(15)輸出的光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第二電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理板(33)包括A/D采集單元，用于采集光電探測(cè)器輸出的第二電壓，并通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字電信號(hào)；處理單元，用于依據(jù)待測(cè)物體位移變化與數(shù)字電信號(hào)的線性關(guān)系，得到位移測(cè)量結(jié)果。
7.一種光纖位移測(cè)量方法，其特征在于，包括調(diào)整探測(cè)頭(210)的初始位置，得到探測(cè)頭(210)與待測(cè)物體的工作距離； 光源(11)輸出的光束經(jīng)分束鏡(12)分成兩路第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板(31)傳輸至 信號(hào)處理板(33)，由信號(hào)處理板(33)根據(jù)檢測(cè)得到的第一路光束的輸出功率變化，對(duì)光源 (11)進(jìn)行反饋電壓控制；第二路光束經(jīng)透鏡組(13)耦合至發(fā)射光纖(14)；當(dāng)待測(cè)物體位移變化時(shí)，探測(cè)頭(210)依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移變化的輸出 位移，由所述輸出位移對(duì)發(fā)射光纖(14)的輸出光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制；所述調(diào)制后的輸出光束經(jīng)接收光纖(15)和接收探測(cè)板(32)，傳輸至信號(hào)處理板(33)，由信號(hào)處理板(33)處理得到位移測(cè)量結(jié)果。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述探測(cè)頭包括探針(21)、滑桿(22)、導(dǎo)向 架(23)和微檔板(24)；所述依據(jù)自身位移傳動(dòng)比得到所述位移變化的輸出位移的步驟為， 當(dāng)待測(cè)物體位移變化ΔΗ時(shí)，探針(21)帶動(dòng)滑桿(22)沿導(dǎo)向架(23)升降，所述位置 升降變化ΔΖ傳遞到微檔板(24)，其中，位置升降變化ΔΖ為所述位移變化ΔΗ的輸出位 移。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述探測(cè)頭(210)的數(shù)目為多組，其中，每組 探測(cè)頭(210)具有不同的位移傳動(dòng)比；所述方法還包括根據(jù)待測(cè)物體的位移范圍，選擇一組探測(cè)頭(210)，并針對(duì)該組探測(cè)頭(210)執(zhí)行調(diào)整步驟。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板(31)傳輸至 信號(hào)處理板(33)的步驟，包括對(duì)所述第一路光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第一電壓； 將所述第一電壓傳輸至信號(hào)處理板(33)。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述調(diào)制后的輸出光束經(jīng)接收光纖(15)和 接收探測(cè)板(32)，傳輸至信號(hào)處理板(33)的步驟，包括對(duì)接收光纖15)輸出的光束進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的第二電壓； 將所述第二電壓傳輸至信號(hào)處理板(33)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述信號(hào)處理板(33)處理得到位移測(cè)量 結(jié)果的步驟，包括采集光電探測(cè)器輸出的第二電壓，并通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字電信號(hào)； 依據(jù)待測(cè)物體位移變化與數(shù)字電信號(hào)的線性關(guān)系，得到位移測(cè)量結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光纖位移測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，其中的測(cè)量系統(tǒng)具體包括光纖光強(qiáng)調(diào)制模塊，包括光源、分束鏡、透鏡組、發(fā)射光纖和接收光纖；位移傳感模塊，包括探測(cè)頭；信號(hào)檢測(cè)與控制模塊，包括反饋探測(cè)板、接收探測(cè)板和信號(hào)處理板；光源輸出的光束經(jīng)分束鏡分成兩路第一路光束經(jīng)反饋探測(cè)板傳輸至信號(hào)處理板，由信號(hào)處理板根據(jù)檢測(cè)得到的第一路光束的輸出功率變化，對(duì)光源進(jìn)行反饋電壓控制；第二路光束經(jīng)透鏡組耦合至發(fā)射光纖；探測(cè)頭得到待測(cè)物體位移變化的輸出位移，由輸出位移對(duì)發(fā)射光纖的輸出光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制；調(diào)制后光束由信號(hào)處理板處理得到位移測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，且可以實(shí)現(xiàn)靈敏度高、穩(wěn)定性高的光纖位移測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101957179SQ20101026574
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者李玉和, 胡小根 申請(qǐng)人:清華大學(xué)