CN101957179A - 一种光纤位移测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤位移测量系统和测量方法，其中的测量系统具体包括：光纤光强调制模块，包括：光源、分束镜、透镜组、发射光纤和接收光纤；位移传感模块，包括探测头；信号检测与控制模块，包括反馈探测板、接收探测板和信号处理板；光源输出的光束经分束镜分成两路：第一路光束经反馈探测板传输至信号处理板，由信号处理板根据检测得到的第一路光束的输出功率变化，对光源进行反馈电压控制；第二路光束经透镜组耦合至发射光纤；探测头得到待测物体位移变化的输出位移，由输出位移对发射光纤的输出光束进行光强调制；调制后光束由信号处理板处理得到位移测量结果。本发明结构简单、成本低，且可以实现灵敏度高、稳定性高的光纤位移测量。

Description

一种光纤位移测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，特别是涉及一种光纤位移测量系统和测量方法。

背景技术

目前，在微机电系统(MEMS，Micro Electro Mechanical Systems)等精密仪器中，系统部件之间的相对位移通常需要被准确测量。

位移测量方法及种类较多，例如，根据传感器变换原理，可分为电容式、光栅、千分表、编码器、光纤、激光干涉等。其中，光纤作为一种新式的传感器，由于其具有结构轻便，测量原理简单，造价便宜，测量精度较高等综合优点，具有广泛的应用前景。

光纤传感器可以分为两大类：

1、功能型传感器

功能型传感器利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。其具有结构紧凑、灵敏度高等优点，但须用特殊光纤，成本高。

2、非功能型传感器

非功能型传感器利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。其具有无需特殊光纤及其他特殊技术、比较容易实现、成本低等优点，但灵敏度较低。

另外，MEMS等精密仪器的特性还要求位移测量具有较好的稳定性

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种结构简单、成本低、且灵敏度高、稳定性高的光纤位移测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤位移测量系统和测量方法，该测量系统结构简单、成本低，并且可以实现灵敏度高、稳定性高的光纤位移测量。

为了解决上述问题，本发明公开了一种光纤位移测量系统，包括：

光纤光强调制模块(100)，包括：光源(11)、分束镜(12)、透镜组(13)、发射光纤(14)和接收光纤(15)；

位移传感模块(200)，包括探测头(210)；及

信号检测与控制模块(300)，包括反馈探测板(31)、接收探测板(32)和信号处理板(33)；

其中，光源(11)输出的光束经分束镜(12)分成两路：第一路光束经反馈探测板(31)传输至信号处理板(33)，由信号处理板(33)根据检测得到的第一路光束的输出功率变化，对光源(11)进行反馈电压控制；第二路光束经透镜组(13)耦合至发射光纤(14)；

当待测物体位移变化时，探测头(210)依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移，由所述输出位移对发射光纤(14)的输出光束进行光强调制；所述调制后的输出光束经接收光纤(15)和接收探测板(32)，传输至信号处理板(33)，由信号处理板(33)处理得到位移测量结果。

优选的，所述探测头(210)包括探针(21)、滑杆(22)、导向架(23)和微档板(24)；

当待测物体位移变化ΔH时，探针(21)带动滑杆(22)沿导向架(23)升降，所述位置升降变化ΔZ传递到微档板(24)，其中，位置升降变化ΔZ为所述位移变化ΔH的输出位移。

优选的，所述探测头(210)的数目为多组，其中，每组探测头(210)具有不同的位移传动比。

优选的，所述发射光纤(14)和接收光纤(15)中心同轴。

优选的，所述反馈探测板(31)包括：

第一光电探测器，用于对第一路光束进行光电转换，产生相应的第一电压；

所述接收探测板(32)包括：

第二光电探测器，用于对接收光纤(15)输出的光束进行光电转换，产生相应的第二电压。

优选的，所述信号处理板(33)包括：

A/D采集单元，用于采集光电探测器输出的第二电压，并通过A/D转换得到数字电信号；

处理单元，用于依据待测物体位移变化与数字电信号的线性关系，得到位移测量结果。

另一方面，本发明还公开了一种光纤位移测量方法，包括：

调整探测头(210)的初始位置，得到探测头(210)与待测物体的工作距离；

光源(11)输出的光束经分束镜(12)分成两路：第一路光束经反馈探测板(31)传输至信号处理板(33)，由信号处理板(33)根据检测得到的第一路光束的输出功率变化，对光源(11)进行反馈电压控制；第二路光束经透镜组(13)耦合至发射光纤(14)；

当待测物体位移变化时，探测头(210)依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移，由所述输出位移对发射光纤(14)的输出光束进行光强调制；

所述调制后的输出光束经接收光纤(15)和接收探测板(32)，传输至信号处理板(33)，由信号处理板(33)处理得到位移测量结果。

优选的，所述探测头包括探针(21)、滑杆(22)、导向架(23)和微档板(24)；

所述依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移的步骤为，

当待测物体位移变化ΔH时，探针(21)带动滑杆(22)沿导向架(23)升降，所述位置升降变化ΔZ传递到微档板(24)，其中，位置升降变化ΔZ为所述位移变化ΔH的输出位移。

优选的，所述探测头(210)的数目为多组，其中，每组探测头(210)具有不同的位移传动比；

所述方法还包括：

根据待测物体的位移范围，选择一组探测头(210)，并针对该组探测头(210)执行调整步骤。

优选的，所述第一路光束经反馈探测板(31)传输至信号处理板(33)的步骤，包括：

对所述第一路光束进行光电转换，产生相应的第一电压；

将所述第一电压传输至信号处理板(33)。

优选的，所述调制后的输出光束经接收光纤(15)和接收探测板(32)，传输至信号处理板(33)的步骤，包括：

对接收光纤15)输出的光束进行光电转换，产生相应的第二电压；

将所述第二电压传输至信号处理板(33)。

优选的，所述信号处理板(33)处理得到位移测量结果的步骤，包括：

采集光电探测器输出的第二电压，并通过A/D转换得到数字电信号；

依据待测物体位移变化与数字电信号的线性关系，得到位移测量结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先，本发明利用光纤光强调制将被位移量转换为光强变化的检测，作为非功能型传感器的一种，光纤光强调制模块具有结构简单、成本低、适应性强，对环境磁场、温度等影响不敏感的优点；

其次，由于光功率探测板的分辨率能够决定系统的位移测量分辨率，因此，本发明可以通过设置信号处理板中反馈探测板和接收探测板的结构，使其达到≤-50dBm的检测灵敏度，以达到精密测量的目的；

再者，由于本发明的位移传感模块可以利用机械设计，设置多组不同位移传动比的探测头，因此可通过多量程灵活切换，来实现多量程位移检测，从而扩大系统测量兼容性及应用范围；

最后，本发明的信号处理板可以是DSP处理板，该DSP处理板可以实现位移测量结果输出、线性拟合标定、光源自稳定控制，减少外界环境干扰等功能，且能够提高系统的集成性与便携化。

附图说明

图1是本发明一种光纤位移测量系统实施例的结构图；

图2是本发明一种光纤位移测量系统的应用示例；

图3是本发明一种光纤位移测量方法实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例的核心构思之一在于：利用光纤光强调制将被位移量转换为光强变化的检测，作为非功能型传感器的一种，光纤光强调制模块具有结构简单、成本低的优点，并且，所述光强变化的检测可以提高灵敏度。

参照图1，示出了本发明一种光纤位移测量系统实施例的结构图，具体可以包括：

光纤光强调制模块100，具体可以包括：光源11、分束镜12、透镜组13、发射光纤14和接收光纤15；

位移传感模块200，具体可以包括探测头210；及

信号检测与控制模块300，具体可以包括反馈探测板31、接收探测板32和信号处理板33；

其中，光源11输出的光束经分束镜12分成两路：第一路光束经反馈探测板31传输至信号处理板33，由信号处理板33根据检测得到的第一路光束的输出功率变化，对光源11进行反馈电压控制；第二路光束经透镜组13耦合至发射光纤14；

当待测物体位移变化时，探测头210依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移，由所述输出位移对发射光纤14的输出光束进行光强调制；所述调制后的输出光束经接收光纤15和接收探测板32，传输至信号处理板33，由信号处理板33处理得到位移测量结果。

参照图2，在本发明的一种应用示例中，本例中，所述信号处理板33可以为DSP处理板，以提高系统的集成性与便携化；所述探测头210可以进一步包括探针21、滑杆22、导向架23和微档板24，其中，探针21可以拆卸、安装，通常情况下，微档板24可用不透光材料制成，其厚度可以为几十微米。

这样，当待测物体位移变化ΔH时，探针21可以带动滑杆22沿导向架23升降，所述位置升降变化ΔZ传递到微档板24，其中，位置升降变化ΔZ可以为所述位移变化ΔH的输出位移。

在实际中，光源11可以使用半导体激光二极管或者发光二极管(LED，Light Emitting Diode)。

作为光功率探测板，所述反馈探测板31可用于检测分束镜12反射的第一路光束，在具体实现中，所述反馈探测板31可以进一步包括：

第一光电探测器，用于对第一路光束进行光电转换，产生相应的第一电压；

同理，接收探测板32可将接收光纤15的输出光束光强转化为模拟电压信号，所述接收探测板32可以进一步包括：

第二光电探测器，用于对接收光纤15输出的光束进行光电转换，产生相应的第二电压。

其中，所述第一光电探测器和第二光电探测器可以使用硅光电二极管(PIN，positive-intrinsic negative diode)或雪崩二极管(APD，Avalanche Photo Diode)。

另外，所述反馈探测板31和接收探测板32中还可以包括：I/V(电流/电压)放大电路、滤波器等，本发明对光功率探测板的具体结构不加以限制。

由于光功率探测板的分辨率能够决定系统的位移测量分辨率，因此，本发明可以通过设置所述反馈探测板31和接收探测板32的结构，使其达到≤-50dBm的检测灵敏度，以达到精密测量的目的。

对于信号处理板33，其主要具有两个功能：

一、信号处理板33可以用于对来自接收探测板32的第二电压(模拟电压)信号进行A/D(模/数)变换及信号处理，最终得到表征待测物体位移的测量结果；

具体地，所述信号处理板33可以包括如下结构单元：

A/D采集单元，用于采集光电探测器输出的第二电压，并通过A/D转换得到数字电信号；

处理单元，用于依据待测物体位移变化与数字电信号的线性关系，得到位移测量结果。

二、信号处理板33还可以对来自反馈探测板31的第一电压(模拟电压)信号进行A/D(模/数)变换及信号处理，并通过信号处理结果反馈控制直流稳压源的输出电压，从而保证光源11输出光束稳定，从而进一步提高系统的位移测量精度和稳定性；

另外，信号处理板33还可以具有检测位移与电压的非线性拟合以及系统标定校准等功能。

再者，本示例中所述探测头210的数目可以为3组，其中，每组探测头210可以具有不同的位移传动比；这样，位移传感模块200可进行不同量程的相互切换，扩大位移测量的适用范围。

可以理解，所述探测头210的数目不限于3，它还可以是2或者4、5、6等，本发明对此不加以限制。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过另一示例说明所述测量系统的工作流程，具体可以包括：

步骤S1、根据待测物体样品位移范围，选择一组探测头210，并相应安装固定探针21；

在实际中，待测物体样品可以代表对应待测物体的普遍品质，例如，所述普遍品质可以包括物体的物理特性、化学组成等；但是，与对应待测物体不同的是，待测物体样品可具有已知位移属性，其中，所述已知位移属性可以为1个(例如10μm)，也可以为多个(例如10μm、20μm...，100μm等)；以下主要以具有多个已知位移属性的待测物体样品为例进行说明。

步骤S2、打开光源11，进行预热；

步骤S3、将反馈探测板31和接收探测板32分别与信号处理板33接口可靠连接；

步骤S4、反馈探测板31、接收探测板32和DSP处理板电源供电，开始工作；

步骤S5、调整探测头210初始位置，使探针21与待测物体样品保证合适工作距离，进入工作状态；

步骤S6、启动DSP处理板；

步骤S7、在测量过程中，光源11输出的光束经分束镜12分成两路，其中的第一路光束经反馈探测板31传输至信号处理板33，由信号处理板33根据检测得到的第一路光束的输出功率变化，对光源11进行伺服反馈；

步骤S8、其中的第二路光束经透镜组13准直、汇聚后，耦合到发射光纤14，假设发射光纤14输出的第二路光束的光强为W2；

步骤S9、当待测物体样品位移ΔH时，通过接触式测量方式，探针21带动滑杆22沿导向架23升降，并按照自身位移传动比，引起微档板24位置升降变化ΔZ；

步骤S10、微档板24的位置升降变化ΔZ对发射光纤14的输出光强W2进行调制；

步骤S11、接收光纤15接收输出光强W2后，将其传输至接收探测板32；

步骤S12、接收探测板32进行光电变换得到第二电压U1；

步骤S13、信号处理板33通过接口采集电压U1，并进行A/D变换及信号处理，可得到表征待测物体样品位移的检测电压U0；

步骤S14、信号处理板33利用待测物体样品中已知位移属性ΔH与检测电压U0的线性关系，得到标定曲线；

步骤S15、针对与所述待测物体样品相同的待测物体，重复执行步骤1-步骤13，得到表征待测物体位移的检测电压U0；

步骤S16、信号处理板33根据所述标定曲线，得到待测物体位移ΔH与检测电压U0的线性关系，最终实现位移精密测量。

在实际中，可以对所述标定曲线进行拟合，得到所述线性关系。这样，可以将所述标定曲线看作是多个线段的叠加，因此，已知位移属性ΔH与检测电压U0在某个检测电压区间段具有线性关系；例如，已知位移属性ΔH(μm)＝K×检测电压U0(mV)，如线性系数K为1/1000，则当测量系统检测到50mv的电压变化时，则对应位移变化50nm。

或者，还可以根据针对待测物体样品多次测量得到的平均标定曲线，制作检测电压U0到待测物体位移ΔH的查找表，这样，步骤S16查找即可得到待测物体位移ΔH。

在实际中，可以用图2中的测量曲线表示最终得到的位移测量结果。

可以理解，上述示例并不限于接触式测量，它还可以是非接触式测量，或者，轻敲式测量等，本发明对具体的测量方式不加以限制。

在具体实施例，所述测量系统的各个单元可选择如下配置：

(1)光源11选择绿光，输出功率500mW；光电探测器选用Model 840型光功率计，最高分辨率达10pW；

(2)发射光纤14和接收光纤15选择带接头和尾线的62μm纤芯的多模光纤；

按照以上配置，测量系统主要技术指标可达：

(1)位移测量范围：100μm/500μm/1mm；

(2)位移测量精度：50nm/0.2μm/0.5μm。

与前述系统实施例相应，本发明还公开了一种光纤位移测量方法，参照图3，具体可以包括：

步骤301、调整探测头210的初始位置，得到探测头210与待测物体的工作距离；

步骤302、光源11输出的光束经分束镜12分成两路：第一路光束经反馈探测板31传输至信号处理板33，由信号处理板33根据检测得到的第一路光束的输出功率变化，对光源11进行反馈电压控制；第二路光束经透镜组13耦合至发射光纤14；

所述第一路光束经反馈探测板31传输至信号处理板33的步骤，可以包括：

首先，对所述第一路光束进行光电转换，产生相应的第一电压；

然后，将所述第一电压传输至信号处理板33。

步骤303、当待测物体位移变化时，探测头210依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移，由所述输出位移对发射光纤14的输出光束进行光强调制；

在具体实现中，所述探测头可以包括探针21、滑杆22、导向架23和微档板24等结构；

这样，所述依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移的步骤可以为，当待测物体位移变化ΔH时，探针21带动滑杆22沿导向架23升降，所述位置升降变化ΔZ传递到微档板24，其中，位置升降变化ΔZ为所述位移变化ΔH的输出位移。

步骤304、所述调制后的输出光束经接收光纤15和接收探测板32，传输至信号处理板33，由信号处理板33处理得到位移测量结果。

在实际中，所述调制后的输出光束经接收光纤15和接收探测板32，传输至信号处理板33的步骤，具体可以包括：

首先，对接收光纤15输出的光束进行光电转换，产生相应的第二电压；

然后，将所述第二电压传输至信号处理板33。

而所述信号处理板33处理得到位移测量结果的步骤，具体可以包括：采集光电探测器输出的第二电压，并通过A/D转换得到数字电信号；依据待测物体位移变化与数字电信号的线性关系，得到位移测量结果。

在本发明的一种优选实施例中，所述探测头210的数目可以为多组，其中，每组探测头210可以具有不同的位移传动比；这样，探测头210可进行不同量程的相互切换，扩大位移测量的适用范围。

相应地，在步骤301前，所述方法还可以包括：

根据待测物体的位移范围，选择一组探测头210，并针对该组探测头210执行调整步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本发明可以应用于MEMS等精密仪器中系统部件之间的相对位移测量，以及用于其它各种精密位移测量。

以上对本发明所提供的一种光纤位移测量系统和测量方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种光纤位移测量系统，其特征在于，包括：

光纤光强调制模块(100)，包括：光源(11)、分束镜(12)、透镜组(13)、发射光纤(14)和接收光纤(15)；

位移传感模块(200)，包括探测头(210)；及

信号检测与控制模块(300)，包括反馈探测板(31)、接收探测板(32)和信号处理板(33)；

其中，光源(11)输出的光束经分束镜(12)分成两路：第一路光束经反馈探测板(31)传输至信号处理板(33)，由信号处理板(33)根据检测得到的第一路光束的输出功率变化，对光源(11)进行反馈电压控制；第二路光束经透镜组(13)耦合至发射光纤(14)；

当待测物体位移变化时，探测头(210)依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移，由所述输出位移对发射光纤(14)的输出光束进行光强调制；所述调制后的输出光束经接收光纤(15)和接收探测板(32)，传输至信号处理板(33)，由信号处理板(33)处理得到位移测量结果。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测头(210)包括探针(21)、滑杆(22)、导向架(23)和微档板(24)；

当待测物体位移变化ΔH时，探针(21)带动滑杆(22)沿导向架(23)升降，所述位置升降变化ΔZ传递到微档板(24)，其中，位置升降变化ΔZ为所述位移变化ΔH的输出位移。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测头(210)的数目为多组，其中，每组探测头(210)具有不同的位移传动比。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射光纤(14)和接收光纤(15)中心同轴。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反馈探测板(31)包括：

第一光电探测器，用于对第一路光束进行光电转换，产生相应的第一电压；

所述接收探测板(32)包括：

第二光电探测器，用于对接收光纤(15)输出的光束进行光电转换，产生相应的第二电压。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号处理板(33)包括：

A/D采集单元，用于采集光电探测器输出的第二电压，并通过A/D转换得到数字电信号；

处理单元，用于依据待测物体位移变化与数字电信号的线性关系，得到位移测量结果。

7.一种光纤位移测量方法，其特征在于，包括：

调整探测头(210)的初始位置，得到探测头(210)与待测物体的工作距离；

光源(11)输出的光束经分束镜(12)分成两路：第一路光束经反馈探测板(31)传输至信号处理板(33)，由信号处理板(33)根据检测得到的第一路光束的输出功率变化，对光源(11)进行反馈电压控制；第二路光束经透镜组(13)耦合至发射光纤(14)；

当待测物体位移变化时，探测头(210)依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移，由所述输出位移对发射光纤(14)的输出光束进行光强调制；

所述调制后的输出光束经接收光纤(15)和接收探测板(32)，传输至信号处理板(33)，由信号处理板(33)处理得到位移测量结果。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述探测头包括探针(21)、滑杆(22)、导向架(23)和微档板(24)；

所述依据自身位移传动比得到所述位移变化的输出位移的步骤为，

当待测物体位移变化ΔH时，探针(21)带动滑杆(22)沿导向架(23)升降，所述位置升降变化ΔZ传递到微档板(24)，其中，位置升降变化ΔZ为所述位移变化ΔH的输出位移。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述探测头(210)的数目为多组，其中，每组探测头(210)具有不同的位移传动比；

所述方法还包括：

根据待测物体的位移范围，选择一组探测头(210)，并针对该组探测头(210)执行调整步骤。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一路光束经反馈探测板(31)传输至信号处理板(33)的步骤，包括：

对所述第一路光束进行光电转换，产生相应的第一电压；

将所述第一电压传输至信号处理板(33)。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调制后的输出光束经接收光纤(15)和接收探测板(32)，传输至信号处理板(33)的步骤，包括：

对接收光纤15)输出的光束进行光电转换，产生相应的第二电压；

将所述第二电压传输至信号处理板(33)。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述信号处理板(33)处理得到位移测量结果的步骤，包括：

采集光电探测器输出的第二电压，并通过A/D转换得到数字电信号；

依据待测物体位移变化与数字电信号的线性关系，得到位移测量结果。

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