專利名稱：一種光學(xué)位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)位移傳感器，屬于光電檢測、光電傳感和光信息處理的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
位移是工程檢測中常見和重要的物理量之一，通過位移檢測可以間接測出應(yīng)力、 溫度、速度等物理量[1]。位移檢測技術(shù)就是把位移量轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的其它可測量的物理量的檢測方法。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，位移檢測變的十分重要且應(yīng)用十分廣泛，如科技測量、自動裝置、機床控制等。位移傳感器主要分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式位移傳感器一般是基于電子技術(shù)[2]，此類傳感器容易受到電磁等環(huán)境因素的干擾。非接觸式位移傳感器中光學(xué)方法應(yīng)用較多，如光纖位移傳感技術(shù)[3]、光學(xué)干涉技術(shù)[4]、光柵計量技術(shù)[5] 等，但他們一般操作精度要求高，且制作也相對復(fù)雜。本發(fā)明基于石英晶體旋光效應(yīng)原理，提出一種光學(xué)位移傳感器。傳感器采用兩塊石英晶體相結(jié)合的形式，與使用一塊石英晶體相比，檢測靈敏度提高一倍；由于石英晶體具有高旋光率特性，因此保證了較高的位移檢測精度；采用雙光路信號探測技術(shù)，可以消除光源發(fā)光功率波動和光強的吸收等影響因素；光學(xué)方法的采用使得該傳感器不受電磁等環(huán)境因素的干擾，克服了普通電磁式位移傳感器的缺點；該傳感器結(jié)構(gòu)原理簡單、制作成本低、 并易于實現(xiàn)實時在線自動測量。該專利成果的發(fā)明可以很好的應(yīng)用于位移傳感領(lǐng)域。參考文獻[1]魏仁選，姜德生.光纖F-P微位移測量實驗研究[J]·光學(xué)儀器，2003，25 (5) 7 9[2]劉德全，王筱華.大位移測量的容柵傳感器工作原理[J].大連輕工業(yè)學(xué)報， 1997，16(2) 18 22[3]趙勇，李鵬生，浦昭邦.光纖位移傳感器進展及應(yīng)用[J1.傳感器技術(shù)，1999， 18(2) :2 6[4]李志能，沈梁，周效東.偏振態(tài)調(diào)制干涉型光纖傳感器[J].浙江大學(xué)學(xué)報， 2002,36(1) 56 59[5]姜德生，何偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J].光電子·激光，2002，13(4) 420 430

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種光學(xué)位移傳感器，解決位移光學(xué)檢測問題。 傳感器采用雙光路探測技術(shù)可以消除光源發(fā)光功率不穩(wěn)定和光強吸收因素；采用光學(xué)方法使得該傳感器不受電磁等環(huán)境因素的干擾，克服了普通電磁式位移傳感器的缺點；該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、成本低、易于實現(xiàn)實時在線自動測量；可以很好的應(yīng)用于位移傳感領(lǐng)域。
技術(shù)方案本發(fā)明的一種光學(xué)位移傳感器包括順序排列的激光器，第一偏振分束棱鏡，位移傳感元件，第二偏振分束棱鏡，第一光電探測器，第二光電探測器，除法運算器； 其中傳感元件由上下兩塊形狀、性能完全相同的旋光率分別為正、負的等腰直角三角型第一石英晶體棱鏡和第二石英晶體棱鏡組成，第一石英晶體棱鏡和第二石英晶體棱鏡相對的兩底面用光學(xué)膠膠合成為一整體，第一石英晶體棱鏡和第二石英晶體棱鏡的光軸方向垂直于其相對的兩底面。第一石英晶體棱鏡和第二石英晶體棱鏡的斜面分別鍍以保偏反射膜，使光線在反射處偏振狀態(tài)不變。第一光電探測器，第二光電探測器采用型號規(guī)格完全相同的光電探測器。設(shè)石英晶體A和B在激光波長λ下的旋光率分別為士 α ；當位移傳感元件3固定不動時，設(shè)光線在A中沿著光軸方向的傳播長度為LA，光線在B中沿著光軸方向的傳播長度為Lb。則光線經(jīng)過La和Lb后的總旋光角度為
-偏振分束棱鏡反射后的初始入射光強為Itl,則光電探測器5的接收光設(shè)經(jīng)過第-
強為I1 = I0COS2 (β) = I0COS2 (La · α -Lb · α )則光電探測器6的接收光強為I2 = I0sin2(^ ) =I0Sin2 (La · α-Lb · α)除法器7輸出的相對值為a = I2A1 = tg2 (La · α -Lb · α )
⑵
⑶
⑷ 當位移傳感元件3向上位移Δ S后，則在晶體A和B中沿光軸方向光線傳播的距離變化為ALa= ALb= AS，則光線在A中沿著光軸方向的傳播長度為L/ =La-ALa = La-Δ S，光線在B中沿著光軸方向的傳播長度為Lb' = Lb+Δ Lb = Lb+Δ S，則光線在A和B 中沿光軸方向總的旋光角度為
β ‘ = La
α -Lr
α = (La-AS) · α-(Lr+Δ S) · α (5)則此時光電探測器5的接收光強為I1' = I0Cos2 (β ‘ ) =I0COS2 (La · α-Lb · α-2 Δ S · α ) (6)此時光電探測器6的接收光強為I2' = I0Sin2 (β ‘ ) =I0Sin2 (La · α-Lb · α-2 Δ S · α ) (7)此時除法器7輸出的相對值為 b = I9
7I1' = tg2(LA · α -Lb · α -2 Δ S · α )
⑶ 由(4)式和(8)式可得出位移量 AcV =
an
ctg^a - arctg^b
2·α
(9)有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點本發(fā)明基于石英晶體旋光效應(yīng)原理，提出一種光學(xué)位移傳感器。傳感器采用兩塊石英晶體相結(jié)合的形式，與使用一塊石英晶體相比，檢測靈敏度提高一倍；由于石英晶體具有高旋光率特性，因此保證了較高的位移檢測精度；采用雙光路信號探測技術(shù)，可以消除光源發(fā)光功率波動和光強的吸收等影響因素；光學(xué)方法的采用使得該傳感器不受電磁等環(huán)境
4因素的干擾，克服了普通電磁式位移傳感器的缺點；該傳感器結(jié)構(gòu)原理簡單、制作成本低、 并易于實現(xiàn)實時在線自動測量。該專利成果的發(fā)明可以很好的應(yīng)用于位移傳感領(lǐng)域。


圖1 一種光學(xué)位移傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中有激光器1，第一偏振分束棱鏡2，位移傳感元件3，第二偏振分束棱鏡4，光電探測器5、6，除法運算器7。位移傳感元件3由上、下兩塊等腰直角三角型石英棱鏡A和B組成，A和B相對的兩底面使用光學(xué)膠膠合，A和B的光軸方向垂直于其相對的兩底面，A和B的斜面分別鍍以保偏反射膜。
具體實施例方式實施例1本發(fā)明的一種光學(xué)位移傳感器所用裝置如圖1所示。圖1中，1為激光器。2為第一偏振分束棱鏡。3為位移傳感元件，其由上、下兩塊結(jié)構(gòu)和性能完全相同的等腰直角三角型石英晶體棱鏡A和B組成，A和B通過光學(xué)膠將其水平底面膠合在一起，從而構(gòu)成一整體傳感元件；要求A和B中一塊為正晶體，另一塊為負晶體；斜面分別鍍以保偏反射膜，使光線在斜面處反射時偏振態(tài)不變；晶體A和B的光軸方向為垂直于其水平底面方向，如圖中石英晶體內(nèi)標識線“ I ”所示。激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過第一偏振分束棱鏡2反射后成為偏振方向垂直于紙面的線偏振光，該線偏振光沿水平方向垂直入射進入位移傳感元件3中石英晶體A，此時光線傳播方向垂直于光軸方向；在石英晶體A的斜面的保偏反射下，光線的偏振方向仍為垂直于紙面的線偏振光，且光沿著石英晶體A光軸的方向傳播(即垂直于石英晶體A的水平底面?zhèn)鞑?，傳播至晶體A的水平底面后垂直入射進入晶體B，在晶體B中傳播方向也為光軸方向，傳播至晶體B的斜面后在保偏反射膜的作用下，光線沿垂直于光軸的方向水平輸出離開傳感元件3。光線在從A到B的過程中由于沿著光軸方向傳播因此產(chǎn)生了旋光，從而離開位移傳感元件3后光線中產(chǎn)生了垂直于紙面的振動分量和平行于紙面的振動分量，進入偏振分束棱鏡4后，垂直于紙面的振動分量由光電探測器5接收，平行于紙面的振動分量由光電探測器6接收，光電探測器5和6將接收到的光強信息輸入至除法運算器7處理，最終輸出含有傳感元件3位移信息的計算結(jié)果。設(shè)石英晶體A和B在激光波長λ下的旋光率分別為士 α ；當位移傳感元件3固定不動時，設(shè)光線在A中沿著光軸方向的傳播長度為LA，光線在B中沿著光軸方向的傳播長度為Lb。則光線經(jīng)過La和Lb后的總旋光角度為β = La · α -Lb · α(10)設(shè)經(jīng)過第一偏振分束棱鏡反射后的初始入射光強為Itl,則光電探測器5的接收光強為I1 = I0COS2C^) =I0Cos2 (La · α-Lb · α)(11)則光電探測器6的接收光強為I2 = I0Sin2 (β) = I0Sin2 (La · α -Lb · α )(12)除法器7輸出的相對值為
a = I2A1 = tg2 (La · α -Lb · α )(13)當位移傳感元件3向上位移Δ S后，則在晶體A和B中沿光軸方向光線傳播的距離變化為ALa= ALb= AS，則光線在A中沿著光軸方向的傳播長度為L/ =La-ALa = La-Δ S，光線在B中沿著光軸方向的傳播長度為Lb' = Lb+Δ Lb = Lb+Δ S，則光線在A和B 中沿光軸方向總的旋光角度為β ‘ = La' · α -Lb' · α = (La- Δ S) · α - (Lb+ Δ S) · α (14)則此時光電探測器5的接收光強為I1' = I0Cos2 (β ‘ ) = I0Cos2 (La此時光電探測器6的接收光強為 I2' = I0Sin2 (β ‘ ) = I0Sin2 (La
α -Lb
α -Lb此時除法器7輸出的相對值為b = I2' /I/ = tg2(LA · α-Lb · α-2AS · α )由(4)式和⑶式可得出位移量
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)位移傳感器，其特征在于該傳感器包括順序排列的激光器(1)，第一偏振分束棱鏡O)，位移傳感元件(3)，第二偏振分束棱鏡，第一光電探測器(5)，第二光電探測器(6)，除法運算器(7)；其中傳感元件C3)由上下兩塊形狀、性能完全相同的旋光率分別為正、負的等腰直角三角型第一石英晶體棱鏡(A)和第二石英晶體棱鏡(B)組成，第一石英晶體棱鏡(A)和第二石英晶體棱鏡(B)相對的兩底面用光學(xué)膠膠合成為一整體，第一石英晶體棱鏡(A)和第二石英晶體棱鏡(B)的光軸方向垂直于其相對的兩底面。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移傳感器，其特征在于第一石英晶體棱鏡(A)和第二石英晶體棱鏡(B)的斜面分別鍍以保偏反射膜，使光線在反射處偏振狀態(tài)不變。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移傳感器，其特征在于第一光電探測器(5)，第二光電探測器(6)采用型號規(guī)格完全相同的光電探測器。
全文摘要
本發(fā)明基于石英晶體旋光效應(yīng)原理，提出一種光學(xué)位移傳感器。傳感器采用正、負兩塊等腰直角三角型石英晶體棱鏡，將位移變化轉(zhuǎn)化為旋光角度的變化，進而通過檢測接收光強得到位移信息。該傳感器包括順序排列的激光器(1)，第一偏振分束棱鏡(2)，位移傳感元件(3)，第二偏振分束棱鏡(4)，第一光電探測器(5)，第二光電探測器(6)，除法運算器(7)；其中傳感元件(3)由上下兩塊形狀、性能完全相同的旋光率分別為正、負的等腰直角三角型第一石英晶體棱鏡(A)和第二石英晶體棱鏡(B)組成，第一石英晶體棱鏡(A)和第二石英晶體棱鏡(B)相對的兩底面用光學(xué)膠膠合成為一整體，第一石英晶體棱鏡(A)和第二石英晶體棱鏡(B)的光軸方向垂直于其相對的兩底面。
文檔編號G01B11/02GK102278945SQ201110191500
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者梁忠誠, 沈驍 申請人:南京郵電大學(xué)