CN101799282A

CN101799282A - 一种基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法

Info

Publication number: CN101799282A
Application number: CN 201010157568
Authority: CN
Inventors: 赵勇
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2010-08-11

Abstract

一种基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法，本发明属于光电检测技术领域。由光源11及其驱动电路12、入射光纤13、含光纤阵列的传感器探头14、光电接收器CCD15、信号处理单元16及计算机17组成。其特点是传感器探头14中的光纤阵列成十字形排列，十字中心的入射光纤13为普通单模通信光纤，其他作为接收光纤都是多模光纤。传感器探头14中的多模光纤阵列接收被测倾斜面反射的光信号，并将其传送至光电接收器CCD15。该传感器能分别检测到沿x轴和y轴方向的二维倾斜角度变化。基于高斯拟合算法，通过识别接收光斑的能量中心位置检测对应的角位移，避免了光源强度波动、光纤传输损耗等问题给测量带来的误差。

Description

一种基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤角位移传感器及测量方法，属于物理学、光学、光电子学、精密仪器及检测技术专业教学实验仪器技术领域。

背景技术

传统的角位移测量方法主要有机械测量、电磁测量和光学测量三种方法。其中机械测量方法自动化程度较低，电磁测量方法抗电磁干扰能力较弱；相比之下，由于光学检测技术具有快速、精度和灵敏度高、抗电磁干扰等优点而使其在倾斜角度测量领域受到众多研究机构和工业界的青睐。例如[Fang Xiaoyong，Cao Maosheng，“Theoretical analysis of 2Dlaser angle sensor and several design parameters”，Optics and Laser Technology，34(3)，225-229(2002)]，利用直角棱锥的分光技术，把入射光分成几组相互垂直的衍射光，利用干涉条纹的位置变化实现倾斜角度测量。

目前利用光学法测量倾斜角度的方法大多需要复杂的结构和较昂贵的仪器，而且测量系统的体积较大。香港学者[Bai-OuGuan，Hwa-Yaw Tam，Shun-Yee Liu，“Temperature-Independent Fiber Bragg Grating Tilt Sensor”，IEEE Photonics TechnologyLetters，16(1)，224-226(2004)]提出了一种基于光纤光栅传感原理的倾斜角度测量方法，和传统的激光测量方法相比，结构复杂度和成本有所改善，但这种方法依然存在以下技术问题和缺陷：①光纤光栅没有附着在任何载体上而直接受力，容易发生断裂；②没有采用温度补偿措施，使系统容易受环境温度影响；③系统需要使用额外的解调装置才能进行测量，从而增加了光纤光栅的使用数量、系统的体积和成本；④光源光强变化会影响测量结果。⑤需要将传感器置于被测倾斜物之上，属于接触式测量。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，采用由十字型排列的两排光纤阵列构成的十字形探头结构，各接收光纤接收光强随被测角位移改变，通过对各光纤接收光强进行高斯拟合确定反射光斑中心位置，进而得到被测角位移。可以有效消除表面反射系数变化、光源波动以及杂散光对测量结果的影响，提高测量线性度和鲁棒性。

本发明的技术方案如下：

一种基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法，包括光源系统、传感器单元和信号处理单元，所述的传感器单元包括入射光纤、含光纤阵列的传感器探头、光电接收器CCD；所述的光纤阵列由13根光纤按十字形排列；所述的入射光纤为普通单模通信光纤，一端与光源相连，另一端位于传感器探头中光纤阵列的中心位置；光纤陈列中的其它12根光纤都是多模光纤，并以入射光纤为中心，按十字形均匀分布排列在入射光纤周围，作为接收光纤组，接收被测角位移引起的反射光信号，它们的另一端与光电接收器CCD相连；所述的光电接收器CCD与所述的信号处理单元相连。

本发明所述的光源采用中心波长为650nm的LD激光光源，所述的单模发射光纤纤芯/包层直径为9μm/125μm，多模接收光纤纤芯/包层直径为62.5μm/125μm。所述的CCD为低暗电流的，信噪比为56dB。所述的光纤阵列中光纤之间的间距为135μm。

本发明具有如下特点：①可以实现二维的微角位移测量。②由于是利用光斑位置变化实现测量，因此避免了光源波动、光纤扰动等对传感器测量特性的影响。③装置结构简单、设计新颖、成本较低、实用性强、易于普及。④传感器探头中的光纤阵列采用单模光纤作为发射光纤，多模光纤作为接收光纤，提高了测量的横向分辨力和信噪比。

附图说明

图1为本发明提供的十字形光纤阵列探头的角位移测量系统示意图。

图2为本发明中光斑中心与接收光纤之间的位置关系示意图。

图3为利用本发明的微角位移传感器探头光路图。

图4为利用本发明的角位移与光斑中心位置关系仿真图。

图5为利用本发明实验测得的各光纤接收最大光强结果。

图6为利用本发明补偿方法前角位移变化时各光纤接收光强高斯拟合曲线。

图7为利用本发明补偿方法后角位移变化时各光纤接收光强高斯拟合曲线。

图8为利用本发明补偿方法前接收光斑中心位置随角位移变化曲线。

图9为利用本发明补偿方法后接收光斑中心位置随角位移变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、原理以及测量过程作进一步的说明。

本发明的光纤角位移传感器原理如图1所示。被测角位移由固定在微驱动台上的正三棱镜给出。

为了测量二维角位移，设计十字形光纤阵列传感探头如图1所示。探头中心为单模出射光纤(以提高测量分辨率)，以其为中心分别沿x轴、y轴方向正交对称分布四排多模接收光纤，记为X₁、X₂、Y₁、Y₂。选多模光纤为接收光纤以提高对信号光的接收能力。

由激光器发出的可见光经耦合后进入十字形光纤传感探头中心的单模光纤，出射后打在待测倾斜三棱镜表面，反射光反射至探头的十字型多模光纤阵列处，并被多模光纤接收。由CCD光电接收器检测多模光纤阵列接收到的多个光强，经过数据处理程序以及高斯拟合算法，可以得到光斑中心位置。由光斑中心位置与角位移的对应关系即可完成对角位移的测量。

被测角位移的变化导致反射光束在接收光纤阵列端面光斑的移动。接收光斑的光强分布近似为高斯分布可以由三个特征参量描述：峰值光功率A²、有效半宽a₀及峰值光功率的实际位置x₀，表达式如下：

I (x) = A^{2} \exp [- \frac{2 {(x - x_{0})}^{2}}{a_{0}^{2}}] - - - (1)

光斑中心位置可以通过记录各光纤位置及其接收光强，如图2以3跟接收光纤为例，记录各光纤纤芯位置及其接收光强(x₁，I(x₁))、(x₂，I(x₂))、(x₃，I(x₃))，在这三个数据点的基础上做高斯拟合，即可得到光斑中心位置x₀。

将正三棱镜的边长记为b，折射率记为n，被测角位移设为β。根据如图3所示的几何关系，被测角位移与光斑中心位置之间的关系如下：

x_{0} = \sqrt{2} \sin β (1 - \frac{\cos β}{n}) - - - (2)

根据(2)式仿真得到被测角位移与光斑中心位置间关系如图4所示。由仿真结果可见在光纤阵列的可测范围内，被测角位移与光斑中心位置呈近似线性关系。

为了验证上面提出的微角位移测量方法的可行性，搭建实验平台，进行实验验证。实验中选用的单模出射光纤和多模接收光纤的尺寸分别为9/125μm和62.5/125μm。选用低暗电流的CCD作为光电接收器。正三棱镜的边长为20mm。

光源选用中心波长为650nm的激光器。以微驱动台给出被测角位移，以固定步长改变X方向被测角位移，测量每种角位移情况下各光纤接收光强，实验数据如图6数据点所示。对每种角位移情况下各光纤接收光强进行高斯拟合，得到拟合结果曲线如图6所示，该拟合结果反映了光斑功率分布情况。

理想情况下，被测角位移改变时出射光斑中心位置线性移动，且出射光斑功率不变，故各接收光纤接收最大光强一致。但是由实验发现，各光纤接收最大光强差别较大，分析认为原因是各接收光纤传输功率损耗不同。而传输功率损耗的不同直接影响到对光斑中心位置的定位，从而影响测量微角位移的精度。因此，需要对各多模接收光纤的传输功率损耗进行测量。

由于传感器探头将各多模光纤封装在一起，不能采用传统的传输功率损耗测量方法，如切断法、插入损耗法。本文提出高斯拟合式传输功率损耗测量方法，具体方法如下：将一功率稳定的光斑按固定步长沿平行于X轴(Y轴)扫描移动，记录各光纤在光斑移动过程中接收光强，对每根光纤记录的一组光强进行高斯拟合，得到的峰值功率即为其接收最大光强，这个光强与出射光斑最大光强的比值即为该光纤传输功率损耗。图5为实验测得的各光纤接收最大光强。

传输功率损耗的不同直接影响对光斑中心位置的定位，从而影响测量微角位移的精度。因此，需要根据测得的各光纤传输功率损耗，对原始实验数据进行补偿，补偿系数定义为传输功率损耗相对归一化系数，计算方法为，各光纤接收最大光强的最大值/各光纤接收最大光强。各光纤相对归一化系数如表1所示。补偿方法即将实验记录各光纤接收光强分别乘以相应的相对归一化系数。

表1各光纤相对归一化系数

1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 11 12

1.6301 1.8323 1.0975 1.1309 1.2309 1.0000 1.6165 1.2589 1.9158 2.3646 1.5978 1.9704

图6为未经补偿时微角位移测量实验初始数据，微角位移改变时，记录各接收光纤接收光强，经高斯拟合后得到各角位移情况下接收光强分布曲线。

图7为经过传输功率损耗补偿后，经高斯拟合得到的角位移变化时接收光强分布。

对比图6、图7可见，补偿后比补偿前各曲线峰值更加一致，符合实际物理情况，说明上述基于传输功率损耗的补偿方法有效。

对于补偿前后实验数据，根据高斯拟合结果，得到不同角位移情况下，接收光斑的中心位置，如表2所示。

表2补偿前后不同角位移对应接收光斑中心位置与理论值比较

角位移/rad	0.175	0.15	0.125	0.1	0.075	0.05	0.025	0
角位移/rad	0.175	0.15	0.125	0.1	0.075	0.05	0.025	0	补偿前光斑中心位置/mm	1.7466	1.5319	1.2937	1.0200	0.7598	0.5302	0.1092	-0.2687
补偿后光斑中心位置/mm	1.75136	1.5324	1.3059	1.0390	0.7651	0.5019	0.2202	0.0503	补偿前光斑中心位置/mm	1.7466	1.5319	1.2937	1.0200	0.7598	0.5302	0.1092	-0.2687
补偿后光斑中心位置/mm	1.75136	1.5324	1.3059	1.0390	0.7651	0.5019	0.2202	0.0503	光斑中心位置理论值/mm	1.8159	1.5477	1.2835	1.0226	0.7646	0.5085	0.2539	0

分别将补偿前后测量结果与理想情况对比，结果如图8、图9所示，其中实线为仿真得到的理想情况下的测量结果。

对测量结果进行数据分析，补偿前平均测量误差为0.012354mm，补偿后平均测量误差为0.001112mm。可见，经过传输功率损耗补偿，角位移测量精度明显提高。测量误差可能来源包括角位移方向与光纤阵列不平行、连接头耦合效率波动，CCD探测误差等。

Claims

1.一种基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法，包括光源系统、传感器单元和信号处理单元，所述的传感器单元包括入射光纤(13)、含光纤阵列的传感器探头(14)、光电接收器CCD(15)；所述的光纤阵列由13根光纤组成；所述的入射光纤(13)为普通单模通信光纤，一端与光源(11)相连，另一端位于传感器探头(14)中光纤阵列的中心位置；光纤阵列中的其它12根光纤都是多模光纤，并以入射光纤为中心，分布在其周围，作为接收光纤组，接收被测角位移引起的反射光信号，它们的另一端与光电接收器CCD(15)相连；所述的光电接收器CCD(15)与所述的信号处理单元(16)相连。

2.按照权利要求1所述的基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法，其特征在于：所述的光纤阵列中的13根光纤按十字形结构排列，其中入射光纤在十字形结构的中心，其他12根接收光纤对称均布在十字形结构的周围。

3.按照权利要求1或2所述的基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法，其特征在于：所述的光源采用中心波长为650nm的LD激光光源，所述的单模发射光纤纤芯/包层直径为9μm/125μm，多模接收光纤纤芯/包层直径为62.5μm/125μm。

4.按照权利要求1或2所述的基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法，其特征在于：所述的CCD为低暗电流的，信噪比为56dB。所述的光纤阵列中光纤之间的间距为135μm。