一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密位移測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種精密位移方法及其裝置，具體是 指一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的方法及利用該方法制作的精密位移裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光柵尺是一種用來(lái)精密測(cè)量物體移動(dòng)位移的工具，其主要在機(jī)床領(lǐng)域內(nèi)廣泛使 用。目前的光柵尺是利用莫爾條紋原理制成，由一對(duì)光柵副中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副 光柵（即指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗 相間）的規(guī)則條紋圖形(稱為莫爾條紋)，經(jīng)過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相同的條紋轉(zhuǎn) 換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90°的正 弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示位移。目前高分辨率的光柵尺測(cè)量位移精度只能達(dá) 到微米量級(jí)，并且造價(jià)昂貴；同時(shí)此種光柵尺的安裝條件和使用環(huán)境要求比較苛刻，不適宜 大范圍推廣使用。
[0003] 光纖光柵（FiberBraggGrating,簡(jiǎn)稱FBG))是利用光纖的光敏性制成，通過(guò)紫外 光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變 化，從而形成永久性空間的相位。光纖光柵（FBG)作為一種光無(wú)源器件，已經(jīng)在光通信、傳 感測(cè)量、位移監(jiān)測(cè)等方面有大范圍的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前的光纖光柵的長(zhǎng)度已由原 有的毫米級(jí)增加到現(xiàn)在的米級(jí)、十米級(jí)甚至更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，由于光纖光柵的信道精度已經(jīng)達(dá) 到納米級(jí)別，因此將光纖光柵應(yīng)用與物體移動(dòng)位移的精密測(cè)量，實(shí)現(xiàn)位移納米級(jí)精度控制， 可有效解決現(xiàn)有光柵尺不能實(shí)現(xiàn)高等級(jí)精度位移的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的方法及其裝置，其利用光 纖光柵納米級(jí)精度特性進(jìn)行位移控制，以解決現(xiàn)有光柵尺造價(jià)昂貴，安裝使用環(huán)境要求苛 亥IJ，并且不能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)及以上精度位移的問(wèn)題；同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)其他精密位移的需求。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的方法，其特征在于：是將光纖光柵上任意兩點(diǎn)信道 之間的位移量轉(zhuǎn)化為該兩點(diǎn)信道之間的信道間隔變化量進(jìn)行輸出。
[0006] 上述的信道間隔變化量為該兩點(diǎn)信道之間的信道間隔的累積疊加。
[0007] 上述的一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的方法，包括下述步驟： (1) 制備一定長(zhǎng)度的光纖光柵； (2) 在解調(diào)儀中輸入光電探測(cè)器在所述光纖光柵表面移動(dòng)的位移量； (3) 解調(diào)儀將位移量轉(zhuǎn)換為光纖光柵的信道數(shù)量并將其傳輸至光電探測(cè)器； (4) 光電探測(cè)器沿光纖光柵表面檢測(cè)經(jīng)過(guò)光纖光柵信道的數(shù)量并移動(dòng)到所對(duì)應(yīng)信道數(shù) 量的信道處。
[0008] 上述一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的方法，其特征在于：所述的位移量為從首 個(gè)信道開(kāi)始，光電探測(cè)器沿光纖光柵表面移動(dòng)所檢測(cè)經(jīng)過(guò)的光纖光柵信道的數(shù)量與光纖光 柵信道間隔的乘積。
[0009] 上述的信道間隔相等。
[0010] 一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的方法制作的精密位移裝置，包括光纖光柵和解 調(diào)儀，所述的光纖光柵上設(shè)置有沿光纖光柵表面移動(dòng)的光電探測(cè)器，所述的光電探測(cè)器與 所述的解調(diào)儀通信連接。
[0011] 上述的光柵探測(cè)器還連接有數(shù)顯裝置。
[0012] 上述的光纖光柵為固定在一裝置內(nèi)的直線狀、環(huán)形、或其他形狀。該裝置可以是直 線狀、環(huán)形、或其他形狀的板材，將光纖光柵固定在裝置上形成所述的形狀。
[0013] 上述的光纖光柵為體布拉格光柵（VolumeBraggGratings,簡(jiǎn)稱VBG;又稱體 全息光柵，VolumeHolographicGrating,簡(jiǎn)稱VHG，本發(fā)明的下述敘述采用體布拉格光柵 VBG)。所述的體布拉格光柵（VBG)是在玻璃中刻入光柵(紫外光調(diào)制玻璃的折射率)制作而 成，其可與光纖光柵（FBG)具有相同的參數(shù)特征。
[0014] 上述的玻璃是光敏玻璃、石英玻璃或其他玻璃。
[0015] 上述的解調(diào)儀可以是調(diào)制解調(diào)器。
[0016] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果： 1、本發(fā)明采用光纖光柵（FBG)光學(xué)納米級(jí)特性原理替代傳統(tǒng)莫爾條紋原理的平面物理 性光柵尺實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。傳統(tǒng)的莫爾條紋光柵尺最高精度只有微米級(jí)別；而現(xiàn)有的光纖 光柵信道周期精度可以達(dá)到納米、甚至皮米級(jí)別，相對(duì)于傳統(tǒng)的光柵尺來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的方法 及其裝置精度級(jí)別更高，可以將精密測(cè)量加工等級(jí)提高到納米，甚至皮米級(jí)別。
[0017] 2、由于莫爾條紋光柵尺的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作工藝難度大，使得高精度的莫爾條 紋光柵尺價(jià)格高達(dá)幾十萬(wàn)元，十分昂貴；而現(xiàn)有光纖光柵的制作工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，其光柵 的長(zhǎng)度也可以實(shí)現(xiàn)幾米甚至百米長(zhǎng)度的刻寫，同時(shí)光纖光柵的封裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低 廉，適合大范圍推廣使用。
[0018] 3、采用莫爾條紋原理制作的平面物理光柵尺對(duì)于環(huán)境的使用要求比較苛刻，尤其 是對(duì)一些高精度要求的機(jī)床來(lái)說(shuō)，使用的環(huán)境潔凈度、振動(dòng)、噪聲、溫度等有嚴(yán)格的要求；而 本發(fā)明的裝置可以避免上述環(huán)境因素的影響，降低了使用環(huán)境要求的限制，不僅能用于高 端機(jī)床設(shè)備上，同時(shí)可以用在對(duì)環(huán)境要求低的普通機(jī)床上，以實(shí)現(xiàn)精密位移的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明原理示意圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖中，1-光纖光柵、2-光電探測(cè)器、3-解調(diào)儀、4-數(shù)顯裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 傳統(tǒng)的光柵尺利用莫爾條紋原理制成，經(jīng)過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相同的 條紋轉(zhuǎn)換成波形信號(hào)，送入光柵數(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示位移。而本發(fā)明的原理在于：當(dāng)在光纖中寫 入光纖光柵（FBG)后，光纖光柵的信道間隔(也可以是相鄰信道中心波長(zhǎng)變化量)，在光纖內(nèi) 相當(dāng)于相臨間隔的條紋，當(dāng)光纖光柵為均勻周期時(shí)，信道間隔在寫制光柵時(shí)可以確定。本發(fā) 明中，光電探測(cè)器沿光纖光柵（FBG)表面橫向移動(dòng)以累積疊加的方式檢測(cè)經(jīng)過(guò)光纖光柵信 道的數(shù)量，那么從首個(gè)信道開(kāi)始，光電探測(cè)器沿光纖光柵表面橫向移動(dòng)的位移量為檢測(cè)經(jīng) 過(guò)的光纖光柵信道的數(shù)量與光纖光柵信道間隔的乘積，當(dāng)計(jì)數(shù)出一定長(zhǎng)度光纖光柵上的信 道數(shù)量相當(dāng)于計(jì)算出光纖光柵的有效長(zhǎng)度以實(shí)現(xiàn)精密位移。如圖I(a)所示，當(dāng)光纖光柵 為均勻周期時(shí)，光纖光柵上有n+1個(gè)信道，n+1個(gè)信道對(duì)應(yīng)的光纖光柵的距離是L，那個(gè)從第 1個(gè)信道開(kāi)始，L= 為信道間隔。如圖I(b)所示,當(dāng)光纖光柵為非均勻周期時(shí)， 其信道間隔為等差數(shù)列方式，L=n(Jtl+纛n+1)為第一個(gè)信道間隔，j|_n+1為第n+1個(gè) 信道的信道間隔，當(dāng)光纖光柵為非均勻周期時(shí)，信道間隔成遞減(遞增）方式，其精度也成遞 減(遞增）方式。因此在本發(fā)明的下述敘述中，均是以均勻周期光纖光柵進(jìn)行說(shuō)明。
[0024] 同時(shí)，在本發(fā)明中所述的光纖光柵（FBG)可以是體布拉格光柵（VBG)，所述的體布 拉格光柵（VBG)是利用玻璃的光敏性，通過(guò)紫外光對(duì)玻璃的折射率進(jìn)行調(diào)制而成，而調(diào)制的 玻璃可以是光敏玻璃、石英玻璃或其他玻璃。體布拉格光柵（VBG)是在玻璃中刻入光柵制 作，而其光柵的刻入也是通過(guò)紫外光照射實(shí)現(xiàn)，由于體布拉格光柵（VBG)是通過(guò)在玻璃中刻 入光柵實(shí)現(xiàn)，光纖光柵（FBG)是通過(guò)在光纖中刻入光柵實(shí)現(xiàn)，兩者同時(shí)也可以刻入?yún)?shù)相同 的光柵。
[0025] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026] 實(shí)施例1 參見(jiàn)圖2, 一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的裝置，包括一刻寫好的長(zhǎng)均勻周期光纖光 柵1和解調(diào)儀3 (或調(diào)制解調(diào)器)，所述的光纖光柵（FBG)I是通過(guò)在石英光纖上進(jìn)行連續(xù)紫 外曝光方式獲得，所述的解調(diào)儀3 (或調(diào)制解調(diào)器）帶有按鍵式或觸控式面板。所述的光纖 光柵1參數(shù)預(yù)先寫制好，其含有多個(gè)信道間隔相等的信道。光纖光柵1為直線狀設(shè)置，其可 以