一種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于精密位移測量技術(shù)領(lǐng)域,涉及到一種精密位移裝置,具體是指一 種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光柵尺是一種用來精密測量物體移動位移的工具,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)行相對位移時,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,再經(jīng)過放大器放大,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量位移精度只能達(dá) 到微米量級,并且造價昂貴;同時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,簡稱FBG))是利用光纖的光敏性制成,通過紫外 光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯,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)作為一種光無源器件,已經(jīng)在光通信、傳 感測量、位移監(jiān)測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度已由原 有的毫米級增加到現(xiàn)在的米級、十米級甚至更長的長度,由于光纖光柵的信道精度已經(jīng)達(dá) 到納米級別,因此將光纖光柵應(yīng)用與物體移動位移的精密測量,實(shí)現(xiàn)位移納米級精度控制, 可有效解決現(xiàn)有光柵尺不能實(shí)現(xiàn)高等級精度位移的問題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型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 用光纖光柵納米級精度特性進(jìn)行位移控制,以解決現(xiàn)有光柵尺造價昂貴,安裝使用環(huán)境要 求苛刻,并且不能實(shí)現(xiàn)納米級及以上精度位移的問題;同時還可實(shí)現(xiàn)其他精密位移的需求。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0006] -種利用光纖光柵進(jìn)行精密位移的裝置,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的光電探測器,所述的光電探測器與所述的解調(diào)儀通信連 接。
[0007] 上述的光電探測器還連接有數(shù)顯裝置。
[0008] 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。
[0009] 上述的光纖光柵為體布拉格光柵(VolumeBraggGratings,簡稱VBG;又稱體全 息光柵,VolumeHolographicGrating,簡稱VHG,本實(shí)用新型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。
[0010] 上述的玻璃是光敏玻璃、石英玻璃或其他玻璃。
[0011] 上述的解調(diào)儀可以是調(diào)制解調(diào)器。
[0012] 本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有技術(shù),具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0013] 1、本實(shí)用新型采用光纖光柵(FBG)光學(xué)納米級特性原理替代傳統(tǒng)莫爾條紋原理的 平面物理性光柵尺實(shí)現(xiàn)高精度測量。傳統(tǒng)的莫爾條紋光柵尺最高精度只有微米級別;而現(xiàn) 有的光纖光柵信道周期精度可以達(dá)到納米、甚至皮米級別,相對于傳統(tǒng)的光柵尺來說,本實(shí) 用新型的方法及其裝置精度級別更高,可以將精密測量加工等級提高到納米,甚至皮米級 別。
[0014] 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 紋光柵尺價格高達(dá)幾十萬元,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 的長度也可以實(shí)現(xiàn)幾米甚至百米長度的刻寫,同時光纖光柵的封裝結(jié)構(gòu)簡單,制作成本低 廉,適合大范圍推廣使用。
[0015] 3、采用莫爾條紋原理制作的平面物理光柵尺對于環(huán)境的使用要求比較苛刻,尤其 是對一些高精度要求的機(jī)床來說,使用的環(huán)境潔凈度、振動、噪聲、溫度等有嚴(yán)格的要求;而 本實(shí)用新型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,同時可以用在對環(huán)境要求低的普通機(jī)床上,以實(shí)現(xiàn)精密位移的要求。
【附圖說明】
[0016] 圖la是本實(shí)用新型的光纖光柵為均勻周期的原理示意圖。
[0017] 圖lb是本實(shí)用新型的光纖光柵為非均勻周期的原理示意圖。
[0018] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例3裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖中,1-光纖光柵、2-光電探測器、3-解調(diào)儀、4-數(shù)顯裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 傳統(tǒng)的光柵尺利用莫爾條紋原理制成,經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白(或明暗)相同的 條紋轉(zhuǎn)換成波形信號,送入光柵數(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示位移。而本實(shí)用新型的原理在于: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,信道間隔在寫制光柵時可以確定。 本實(shí)用新型中,光電探測器沿光纖光柵(FBG)表面橫向移動以累積疊加的方式檢測經(jīng)過光 纖光柵信道的數(shù)量,那么從首個信道開始,光電探測器沿光纖光柵表面橫向移動的位移量 為檢測經(jīng)過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度以實(shí)現(xiàn)精密位移。如圖la所示,當(dāng)光纖 光柵為均勻周期時,光纖光柵上有n+1個信道,n+1個信道對應(yīng)的光纖光柵的距離是L,那個 從第1個信道開始,L= (n+1)施,森為信道間隔。如圖lb所示,當(dāng)光纖光柵為非均勻周期 時,其信道間隔為等差數(shù)列方式,L=n(1^纛為第一個信道間隔,矗n+1為第n+1 個信道的信道間隔,當(dāng)光纖光柵為非均勻周期時,信道間隔成遞減(遞增)方式,其精度也成 遞減(遞增)方式。因此在本實(shí)用新型的下述敘述中,均是以均勻周期光纖光柵進(jìn)行說明。
[0022] 同時,在本實(shí)用新型中所述的光纖光柵(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,通過紫外光對玻璃的折射率進(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紫外光照射實(shí)現(xiàn),由于體布拉格光柵(VBG)是通過在玻璃 中刻入光柵實(shí)現(xiàn),光纖光柵(FBG)是通過在光纖中刻入光柵實(shí)現(xiàn),兩者同時也可以刻入?yún)?shù) 相同的光柵。
[0023] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 參見圖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) 1是通過在石英光纖上進(jìn)