CN103557972A - 一种用于光纤拉锥的微力检测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于光纤拉锥的微力检测装置，涉及一种微力检测装置。以解决现有的力传感器分辨率低等的问题。本发明的手动二维平台固定在二维平台连接板上，检测器固定座固定在手动二维平台上，检测器固定在检测器固定座上，激光调整支座固定在激光支座连接板上，激光器固定在激光调整支座上，反射镜设置在反射镜固定座的上部，悬臂梁固定片通过两个夹紧片固定在载荷支座的上部，悬臂梁的一端水平固定在悬臂梁固定片上，悬臂梁的另一端设有光纤，透镜支座连接板固定在一维手动平台上，透镜支座固定在透镜支座连接板上，透镜镶嵌在透镜支座上，激光器、悬臂梁、反射镜、透镜和检测器组成检测光路。本发明用于光纤拉锥的微力检测。

Description

一种用于光纤拉锥的微力检测装置

技术领域

本发明涉及一种微力检测装置，具体涉及一种用于光纤拉锥的微力检测装置。

背景技术

近几年来，随着微操作技术的迅速发展，微力的检测已受到人们的日益关注。熔融拉锥是指加热使光纤熔化，同时在两端拉伸光纤，使光纤熔融区域成为锥形过渡段，制作光纤耦合器。在光纤熔融拉锥中，光纤受到的拉力大约在0～10mN之间，传统的力传感器一般不满足测量的要求。微力测量按照工作原理主要分为压阻式、电容式和光电式。压阻式微力测量利用压阻效应进行力的测量，此种方法测量方便，灵敏度高，但是电阻的温漂会降低测量的准确性。电容式微力测量是利用电容板之间的距离变化来检测力的大小，此种方法温漂小，但是测量值存在非线性的特点。光电式检测受力部件的光路变化来检测力的大小，此种方法测量精度高，分辨率高，操作空间小，受环境变化小，容易实现微力的测量，但还是无法解决传统力传感器的分辨率低，一般不能检测光纤拉锥中光纤受到的微拉力问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于光纤拉锥的微力检测装置，以解决传统力传感器的分辨率低，一般不能检测光纤拉锥中光纤受到的微拉力问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种用于光纤拉锥的微力检测装置包括工作台；所述微力检测装置还包括检测单元、光源单元、反射单元、载荷施加单元和聚焦单元，

所述检测单元包括二维平台连接板、手动二维平台、检测器固定座和检测器，二维平台连接板竖直固定在工作台上，手动二维平台固定在二维平台连接板上，检测器固定座固定在手动二维平台上，检测器固定在检测器固定座上，

所述光源单元包括激光支座连接板、激光调整支座和激光器，激光支座连接板固定在工作台上，激光调整支座固定在激光支座连接板上，激光器固定在激光调整支座的V型槽中，

所述反射单元包括反射镜和反射镜固定座，反射镜固定座固定在工作台上，反射镜固定在反射镜固定座的上部，

所述载荷施加单元包括载荷支座、两个夹紧片、悬臂梁固定片、悬臂梁和光纤，载荷支座固定在工作台上，悬臂梁固定片通过两个夹紧片固定在载荷支座的上部，悬臂梁的一端水平固定在悬臂梁固定片上，光纤垂直固定在悬臂梁上，

所述聚焦单元包括透镜支座、透镜、透镜支座连接板和一维手动平台，一维手动平台固定在工作台上，透镜支座连接板固定在一维手动平台上，透镜支座固定在透镜支座连接板上，透镜镶嵌在透镜支座上，

激光器发出的激光照射到硅悬臂梁上，经过发射镜反射和透镜聚焦到检测器上，构成了检测光路。

本发明相对于现有技术的有益效果如下：

1、本发明通过光电相结合的方法通过检测悬臂梁的弯曲挠度来检测光纤受到的拉力。激光器、悬臂梁、发射镜、透镜和检测器组成检测光路。激光器发射的激光照射悬臂梁上，反射到反射镜上，经过透镜的聚焦，最后照射到检测器上，悬臂梁受力受到弯曲时，其上的激光光斑的位置发生变化，反射到检测器上的光斑位置也发生变化，通过检测光斑的位置检测悬臂梁的挠度，能够计算得到悬臂梁受力的大小，计算检测器输出四象限的电压得到光斑的位置。

2、本发明结构简单，采用光电结合的方法检测微力，测量稳定，分辨率高，能够检测光纤熔融拉锥的微拉力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是检测单元的结构示意图，图3是光源单元的结构示意图，图4是反射单元的结构示意图，图5是载荷施加单元的结构示意图，图6是聚焦单元的结构示意图；图7是本发明的检测原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式包括工作台1；其特征在于：所述微力检测装置还包括检测单元2、光源单元3、反射单元4、载荷施加单元5和聚焦单元6，

所述检测单元2包括二维平台连接板2-1、手动二维平台2-2、检测器固定座2-3和检测器2-4，二维平台连接板2-1竖直固定在工作台1上，手动二维平台2-2固定在二维平台连接板2-1上，检测器固定座2-3固定在手动二维平台2-2上，检测器2-4固定在检测器固定座2-3上，

所述光源单元3包括激光支座连接板3-1、激光调整支座3-2和激光器3-3，激光支座连接板3-1固定在工作台1上，激光调整支座3-2固定在激光支座连接板3-1上，激光器3-3固定在激光调整支座3-2的V型槽中，

所述反射单元4包括反射镜4-1和反射镜固定座4-2，反射镜固定座4-2固定在工作台1上，反射镜4-1固定在反射镜固定座4-2的上部，

所述载荷施加单元5包括载荷支座5-1、两个夹紧片5-2、悬臂梁固定片5-3、悬臂梁5-4和光纤5-5，载荷支座5-1固定在工作台1上，悬臂梁固定片5-3通过两个夹紧片5-2固定在载荷支座5-1的上部，悬臂梁5-4的一端水平固定在悬臂梁固定片5-3上，光纤5-5垂直固定在悬臂梁5-4上，

所述聚焦单元6包括透镜支座6-1、透镜6-2、透镜支座连接板6-3和一维手动平台6-4，一维手动平台6-4固定在工作台1上，透镜支座连接板6-3固定在一维手动平台6-4上，透镜支座6-1固定在透镜支座连接板6-3上，透镜6-2镶嵌在透镜支座6-1上，

激光器3-3发出的激光照射到硅悬臂梁5-4上，经过发射镜4-1反射和透镜6-1聚焦到检测器2-4上，构成了检测光路。

具体实施方式二：结合图1和图5说明，本实施方式的悬臂梁5-4采用硅材质制成。如此设计本实施方式，硅材料的灵敏度和表面反射率好。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明，本实施方式的检测器2-4为四象限光电位置检测器。如此设置本实施方式，便于检测激光光斑中心的位置。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1和图5说明，本实施方式的悬臂梁5-4的一端通过氰基丙烯酸乙酯水平固定在悬臂梁固定片5-3上。如此设置本实施方式，固定更加牢固、可靠。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图5说明，本实施方式的光纤5-5通过氰基丙烯酸乙酯垂直固定在悬臂梁5-4上。如此设置本实施方式，固定更加牢固、可靠。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。

本发明的工作原理：

本实施方式中的调节二维手动平台2-2、激光调整支座3-2、反射镜固定座4-2、一维手动平台6-4，使激光器3-3发出的激光经过悬臂梁5-4和反射镜4-1的发射、透镜6-2的聚焦到四象限光电位置检测器2-4的中心，使其出输出信号的为零。

采用标准砝码对四象限探测器的量程、重复性和分辨力的测试标定。

结合图1-图7，悬臂梁的一端固定，当悬臂梁受力变形时，梁的弯曲挠度φ为：

$\mathrm{\φ}=\frac{12F}{{\mathrm{Ewt}}^3}(\mathrm{Ll}-\frac{l^2}{2})$

其中：E为悬臂梁的弹性模量，l为光斑距离固定端的距离，w和t为悬臂梁的宽度和厚度，F为施加在悬臂梁上的载荷。悬臂梁受力发生弯曲变形时，激光光斑在悬臂梁上的位置发生变化，四象限光电位置检测器上光斑位置也发生变化，检测器的位置变化V_QD为：

V_QD=2φ·r_T

其中，r_T是悬臂梁与四象限光电位置探测器之间的距离。当四象限光电位置检测器上的光斑位置发生变化时，其输出电压与位置变化成正比，其输出电压V_out也会发生变化。V_QD和输出电压V_out关系为：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{QD}}\·V_{\mathrm{sum}}}{k}$

其中V_sum为探测器总输出电压，k为四探测器的特性参数。

Claims (5)

1.一种用于光纤拉锥的微力检测装置，包括工作台（1）；其特征在于：所述微力检测装置还包括检测单元（2）、光源单元（3）、反射单元（4）、载荷施加单元（5）和聚焦单元（6），

所述检测单元（2）包括二维平台连接板（2-1）、手动二维平台（2-2）、检测器固定座（2-3）和检测器（2-4），二维平台连接板（2-1）竖直固定在工作台（1）上，手动二维平台（2-2）固定在二维平台连接板（2-1）上，检测器固定座（2-3）固定在手动二维平台（2-2）上，检测器（2-4）固定在检测器固定座（2-3）上，

所述光源单元（3）包括激光支座连接板（3-1）、激光调整支座（3-2）和激光器（3-3），激光支座连接板（3-1）固定在工作台（1）上，激光调整支座（3-2）固定在激光支座连接板（3-1）上，激光器（3-3）固定在激光调整支座（3-2）的V型槽中，

所述反射单元（4）包括反射镜（4-1）和反射镜固定座（4-2），反射镜固定座（4-2）固定在工作台（1）上，反射镜（4-1）固定在反射镜固定座（4-2）的上部，

所述载荷施加单元（5）包括载荷支座（5-1）、两个夹紧片（5-2）、悬臂梁固定片（5-3）、悬臂梁（5-4）和光纤（5-5），载荷支座（5-1）固定在工作台（1）上，悬臂梁固定片（5-3）通过两个夹紧片（5-2）固定在载荷支座（5-1）的上部，悬臂梁（5-4）的一端水平固定在悬臂梁固定片（5-3）上，光纤（5-5）垂直固定在悬臂梁（5-4）上，

所述聚焦单元（6）包括透镜支座（6-1）、透镜（6-2）、透镜支座连接板（6-3）和一维手动平台（6-4），一维手动平台（6-4）固定在工作台（1）上，透镜支座连接板（6-3）固定在一维手动平台（6-4）上，透镜支座（6-1）固定在透镜支座连接板（6-3）上，透镜（6-2）镶嵌在透镜支座（6-1）上，

激光器（3-3）发出的激光照射到硅悬臂梁（5-4）上，经过发射镜（4-1）反射和透镜（6-1）聚焦到检测器（2-4）上，构成了检测光路。

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤拉锥的微力检测装置，其特征在于：所述悬臂梁（5-4）采用硅材质制成。

3.根据权利要求2所述的一种用于光纤拉锥的微力检测装置，其特征在于：所述检测器（2-4）为四象限光电位置检测器。

4.根据权利要求3所述的一种用于光纤拉锥的微力检测装置，其特征在于：所述悬臂梁（5-4）的一端通过氰基丙烯酸乙酯水平固定在悬臂梁固定片（5-3）上。

5.根据权利要求4所述的一种用于光纤拉锥的微力检测装置，其特征在于：所述光纤（5-5）通过氰基丙烯酸乙酯垂直固定在悬臂梁（5-4）上。

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