專利名稱：一種基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器及檢測方法，屬于光電檢 測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)有的光纖光柵位移檢測系統(tǒng)多采用基于壓電陶瓷位移驅(qū)動器在電信號的 作用下使得壓電陶瓷產(chǎn)生形變，從而使得粘貼在其上面的光纖光柵傳感器的反射波長信號 移動，通過檢測反射波長的移動量實(shí)現(xiàn)對位移的測量?；蛘卟捎靡恍C(jī)敏結(jié)構(gòu)將位移轉(zhuǎn)變 成光纖光柵所受的應(yīng)變，而且一般都是光纖光柵受到等應(yīng)變的作用，從而使光纖光柵傳感 器的反射波長發(fā)生移動。而檢測光纖光柵傳感器反射波長移動量的技術(shù)和方法大多都很龐 大和復(fù)雜，有些技術(shù)和方法成本較高、且不適合于實(shí)際應(yīng)用。如采用光譜分析儀直接測量光 纖光柵傳感器波長移動量的大小，這種方法現(xiàn)象直觀，直接在光譜儀的屏幕上觀察和讀取 波長移動量，但自動化程度低、不適合現(xiàn)場實(shí)時檢測和信號的進(jìn)一步處理，光譜儀的價(jià)格一 般都在20萬人民幣以上?；诳烧{(diào)諧FP濾波器的波長解調(diào)方法體積較小，但其中需要利 用壓電陶瓷對FP干涉腔的腔長進(jìn)行調(diào)諧，以便實(shí)現(xiàn)對光纖光柵傳感器反射波長的掃描檢 測。由于這種方法在檢測過程中存在移動部件，壓電陶瓷具有回滯現(xiàn)象，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性 不高，而且該方法的成本較高，一般也在十幾萬元以上。此外，由于光纖光柵本身具有應(yīng)變和溫度交叉敏感的特性，而目基于光纖光柵的 傳感器設(shè)計(jì)和信號的解調(diào)方法要么不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信號和溫度信號的分離檢測，要么需要增 加特殊的結(jié)構(gòu)和元器件，再結(jié)合特殊的算法才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的分離檢測，才能解決光 纖光柵傳感器交叉敏感的問題。

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，提出一種新穎、結(jié)構(gòu)簡單、成本低， 操作方便、易于加工生產(chǎn)的光纖光柵微位移傳感器及其信號的解調(diào)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器及檢測方法，包括傳感器單元、信號 解調(diào)單元以及連接它們的光纖環(huán)形器及其光纖鏈路、信號處理單元及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述的 傳感器單元包括寬帶光源以及產(chǎn)生微位移的螺旋千分螺絲，其特征在于所述的傳感單元 包括一個雙拱形梁和粘貼在雙拱形梁一端與中心之間的傳感用光纖光柵；所述的信號解調(diào) 單元包括一只解調(diào)用閃耀光纖光柵、具有折射率匹配作用的折射率匹配液槽、柱狀透鏡、光 纖陣列和CXD光電探測器；寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器發(fā)送至傳感用光纖光柵，在 被測微位移信號的作用下，傳感用光纖光柵的反射光信號再次經(jīng)過光纖環(huán)形器，并經(jīng)其光 纖鏈路發(fā)送至解調(diào)用閃耀光纖光柵，并以一定的輻射角輻射出去，輻射光經(jīng)過柱狀透鏡匯 聚后由光纖陣列接收，并同時傳送至與其相連的C⑶光電探測器，光電探測器將光斑信號 轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送至與其相連的信號處理單元及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
本發(fā)明所述的寬帶光源采用中心波長范圍為1523nm 1568nm的ASE光源，所述 的傳感用光纖光柵及光纖環(huán)形器的工作波長為1550nm。所述的雙拱形梁采用有機(jī)玻璃材料 制成，厚度為3mm，長度為130mm ；所述的光纖鏈路采用單模光纖，芯徑為9 μ m。本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的光纖陣列由24根多模光纖構(gòu)成，多模光纖的芯 徑為62.5 μ m，包層直徑為125 μ m;每根光纖之間的距離為250 μ m。所述的解調(diào)用閃耀光 纖光柵柵格的傾斜角為2° ；C⑶光電探測器采用型號為Sony ILX511，其包含2048個尺寸 為14 μ m的像素。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)①儀器結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)新穎、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)。②傳感用 光纖光柵的測量信號是反射譜帶寬的變化，而不是反射波長的變化。③用一只傳感用光纖 光柵就可以實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變的分離測量，解決交叉敏感問題，因?yàn)闇囟戎挥绊懝饫w光柵反 射波長的移動量，而不影響反射光譜的寬度。④解調(diào)方法是識別閃耀光纖光柵輻射光斑大 小的變化，而不是光強(qiáng)度的變化，這樣就大大降低了光強(qiáng)波動、光纖擾動等對測量結(jié)果的影 響。


圖1為本發(fā)明提供的基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器整體原理結(jié)構(gòu)示意 圖。圖2為本發(fā)明中基于有限元分析方法的雙拱形梁在微位移作用下產(chǎn)生的應(yīng)變分布。(a)雙拱形梁的應(yīng)力分布圖。(b)雙拱形梁上表面的應(yīng)變分布圖。圖3為利用本發(fā)明仿真計(jì)算得出的被測位移與傳感用光纖光柵反射光譜變化圖。圖4為利用本發(fā)明CCD光電探測器探測到的由光纖陣列采集的光斑信息。圖5為利用本發(fā)明測得的微位移與光斑大小的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及測量過程作進(jìn)一步的說明。圖1為本發(fā)明提供的基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器整體原理結(jié)構(gòu)示意圖。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器發(fā)送至傳感用光纖光柵，該光纖光柵粘貼在雙拱形 梁的一端至中心點(diǎn)之間。被測微位移由螺旋千分螺絲提供。當(dāng)微位移施加在雙拱形梁的上 表面時，梁將產(chǎn)生形變，使得粘貼在其上的光纖光柵受到應(yīng)變的作用。傳感用光纖光柵的 反射光譜信號被微位移調(diào)制后反射，再經(jīng)過光纖環(huán)形器發(fā)送至解調(diào)用閃耀光纖光柵，該閃 耀光纖光柵將信號光以一定的角度輻射到柱狀棱鏡，匯聚后由光纖陣列接收，然后傳至CCD 光電探測器。經(jīng)過CCD的光電轉(zhuǎn)換后，由信號處理電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理。被測微位移引起雙拱形梁形變，梁的長度為130mm，利用有限元分析方法對梁在位 移(力)的作用下產(chǎn)生的應(yīng)變分布進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，梁的上 表面應(yīng)變分布情況可分三個區(qū)域，其中兩段是正應(yīng)變區(qū)(DC段和AB段)，一段是負(fù)應(yīng)變區(qū) (CA段)。從圖2(b)可見，在梁上表面距中心2cm至3cm范圍內(nèi)，其應(yīng)變變化隨位置成線性 關(guān)系。而且在距中心2cm至2. 5cm范圍內(nèi)，梁承受的是負(fù)應(yīng)變；而在距中心2. 5cm至3. Ocm范圍內(nèi)，梁承受的是正應(yīng)變。這樣，如果傳感用光纖光柵的長度小于10mm，并且對稱粘貼在 正負(fù)應(yīng)變區(qū)部分，使得該光纖光柵一半受到負(fù)應(yīng)變，而另一半受到正應(yīng)變作用，此時該光纖 光柵將變成啁啾光柵，致使其反射光譜展寬。如圖3所示，隨著被測位移的增加，光纖光柵 反射光譜的寬度不斷增加。也就是說，隨著被測微位移的增加，傳感用光纖光柵的反射光譜 中將容納更多波長的光信號。由體電流分析方法可知，入射到閃耀光纖光柵的光信號的波長與輻射角之間存在 下面的關(guān)系
<formula>formula see original document page 5</formula>式中，Ag是閃耀光纖光柵的周期，λ是入射光的光波長，ξ是閃耀光纖光柵在入 射波長為λ時輻射光的輻射角，θ為閃耀光纖光柵柵格的傾斜角度，Iltl為光纖纖芯的初始 折射率，HrffU)為光纖中導(dǎo)模的有效折射率。從公式(1)可知，如果入射到閃耀光纖光柵中的光信號只包含一個波長，那么將 只有一個角度上會有輻射光出射，這樣在CCD光電探測器上接收到的光斑就很?。蝗欢?果入射到閃耀光纖光柵中的光信號具有多個波長，那么輻射角將具有一定的范圍，也就是 說CCD光電探測器上接收到的光斑尺寸就會變大。入射到閃耀光纖光柵中的光波長范圍越 大，CCD光電探測器接收到的光斑尺寸就越大，也就對應(yīng)著更大的被測位移。為了驗(yàn)證上述原理和方法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)中，雙拱形梁的厚度選3mm，長 度選130mm。傳感用光纖光柵的布拉格反射波長為λ B = 1550. Olnm。ASE光源的光譜范圍 是從1523nm到1568nm。光纖陣列由24根多模光纖構(gòu)成，多模光纖的芯徑為62. 5 μ m，包層 直徑為125 μ m，每根光纖之間的距離為250 μ m ；解調(diào)用閃耀光纖光柵柵格的傾斜角為2。； C⑶光電探測器采用型號為Sony ILX511，其包含2048個尺寸為14 μ m的像素。按照圖1所示的原理結(jié)構(gòu)搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，圖4顯示了在被測微位移增加的過程 中，CCD光電探測器接收到的光斑大小的變化情況，而圖5給出了最終記錄的光斑大小隨被 測微位移的關(guān)系曲線?？梢?，通過記錄光斑大小，就可以得到被測微位移的數(shù)值。
權(quán)利要求
一種基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器及檢測方法，包括傳感器單元、信號解調(diào)單元以及連接它們的光纖環(huán)形器及其光纖鏈路、信號處理單元及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述的傳感器單元包括寬帶光源(1)以及產(chǎn)生微位移的螺旋千分螺絲(7)，其特征在于所述的傳感單元包括一個雙拱形梁(5)和粘貼在雙拱形梁一端與中心之間的傳感用光纖光柵(4)；所述的信號解調(diào)單元包括一只解調(diào)用閃耀光纖光柵(8)、具有折射率匹配作用的折射率匹配液槽(9)、柱狀透鏡(10)、光纖陣列(11)和CCD光電探測器(12)；寬帶光源(1)發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器(2)發(fā)送至傳感用光纖光柵(4)，在被測微位移信號的作用下，傳感用光纖光柵(4)的反射光信號再次經(jīng)過光纖環(huán)形器(2)，并經(jīng)其光纖鏈路(33)發(fā)送至解調(diào)用閃耀光纖光柵(8)，并以一定的輻射角輻射出去，輻射光經(jīng)過柱狀透鏡(10)匯聚后由光纖陣列(11)接收，并同時傳送至與其相連的CCD光電探測器(12)，光電探測器(12)將光斑信號轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送至與其相連的信號處理單元(13)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(14)。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器及檢測方法，其特征 在于所述的寬帶光源⑴采用中心波長范圍從1523nm至1568nm的ASE光源，所述的傳感 用光纖光柵(4)及光纖環(huán)形器(2)的工作波長為1550nm。所述的雙拱形梁(5)采用有機(jī)玻 璃材料制成，厚度為3mm，長度為130mm ；所述的光纖鏈路(31、32和33)為單模光纖，芯徑為 9 μ m0
3.按照權(quán)利要求1所述的基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器及檢測方法，其特征 在于所述的光纖陣列(11)由24根多模光纖構(gòu)成，多模光纖的芯徑為62.5 μ m，包層直徑 為125μπι，每根光纖之間的距離為250 μ m;所述解調(diào)用閃耀光纖光柵(8)柵格的傾斜角為 2。；C⑶光電探測器(12)采用型號為Sony ILX511，其包含2048個尺寸為14 μ m的像素。
全文摘要
一種基于閃耀光纖光柵解調(diào)的微位移傳感器及檢測方法，本發(fā)明屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域。由寬帶光源1、光纖環(huán)形器2及其光纖鏈路(31、32、33)、傳感用光纖光柵4、雙拱形梁5、基座6、螺旋千分螺絲7、解調(diào)用閃耀光纖光柵8、折射率匹配液槽9、柱狀透鏡10、光纖陣列11、CCD光電探測器12、信號處理單元13及計(jì)算機(jī)14組成。其特點(diǎn)是傳感用光纖光柵4的反射光譜信號將在被測微位移的作用下展寬，該信號由解調(diào)用閃耀光纖光柵8以一定的輻射角度發(fā)送至光纖陣列11，并傳至CCD光電探測器12，基于高斯擬合算法，通過識別CCD光電探測器12接收到的光斑大小對應(yīng)被測位移，避免了光強(qiáng)波動、光纖傳輸損耗等給測量帶來的誤差。
文檔編號G01D3/028GK101825434SQ20101015756
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者趙勇 申請人:東北大學(xué)