CN103697817A - 一种基于复合光栅的新型光位移传感器及其位移补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感器技术，涉及一种基于复合光栅的新型光位移传感器及其位移补偿方法。所述基于复合光栅的新型光位移传感器包括宽带光源、Y型光纤、壳体、透镜组、反射镜、复合光栅、连杆、波长解调器和信号处理单元。其中，复合光栅组件是复合光栅粘接在金属衬板上。宽带光源由Y型光纤一个侧枝传入，经准直透镜组准直后射入设置在复合光栅组件上的反射镜上，并反射至复合光栅，复合光栅所产生的窄带衍射光以自准直状态沿原光路返回，经Y型光纤的另一个侧枝传入波长解调器，而波长解调器则与信号处理单元相连。本发明能将传感器在高低温环境下产生的误差信号从位移测量信号中剥离出来，很好的解决了传感器在高低温环境下的误差问题。

Description

一种基于复合光栅的新型光位移传感器及其位移补偿方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术，涉及一种基于复合光栅的新型光位移传感器及其位移补偿方法。

背景技术

光栅位移传感器是光位移传感器的一个重要分支。光栅位移传感器分为等栅距光栅位移传感器和变栅距光栅位移传感器，它们具有量程大、分辨率高、动态测量范围广、响应速度快、抗干扰、易实现系统的自动化和数字化等特点。基于莫尔条纹原理的等栅距计量光栅技术近十几年来在各领域得到了广泛的应用，其不足是只能测量相对位移；变栅距光栅位移传感器可实现大范围绝对位移测量，其研制在国内尚处于起步阶段，西安飞行自动控制研究所已研制成功变栅距位移传感器原理样机，目前正在进行工程化改进。

在变栅距光栅线位移传感器中，变栅距玻璃光栅用无蠕变胶粘结在不锈钢衬板表面，称为光栅组件，光栅组件与传感器腔体之间用螺钉连接。由于玻璃与不锈钢衬板热胀系数不同（分别为7.1e-6/℃，11e-7/℃），在温度变化下会出现双金属片式的翘曲，从而使入射光角度产生变化，带来误差。

本发明的目的是：提出一种基于复合光栅的新型线位移传感器，旨在解决变栅距光栅线位移传感器在高低温环境中光栅翘曲造成的误差问题。

本发明的技术方案为：一种基于复合光栅的新型光位移传感器，其包括宽带光源、Y型光纤、壳体、透镜组、反射镜、复合光栅、连杆、波长解调器和信号处理单元，其中，复合光栅组件是复合光栅粘接在金属衬板上，并设置在壳体内，宽带光源由Y型光纤一个侧枝传入，经准直透镜组准直后射入设置在复合光栅组件上的反射镜上，并反射至复合光栅，复合光栅所产生的窄带衍射光以自准直状态沿原光路返回，经Y型光纤的另一个侧枝传入波长解调器，而波长解调器则与信号处理单元相连。

所述复合光栅由等栅距光栅和变栅距光栅组合而成，沿光栅宽度方向一半为等栅距光栅，另一半为变栅距光栅。

所述经过反射镜的入射光斑，一半光斑照射在等栅距光栅上，另一半光斑照射在变栅距光栅上。

一种基于复合光栅的新型光位移的误差补偿方法，其包括如下步骤：

步骤1：搭建如权利要求1或2所述的基于复合光栅的新型光位移传感器；

步骤2：

宽带光源由Y型光纤一个侧枝传入，经准直透镜组准直后水平射入反射镜，以入射角θ照射复合光栅，入射光一部分照射在等栅距光栅上，另一部分照射在变栅距光栅上；

等栅距光栅和变栅距光栅的窄带衍射光以自准直状态沿原光路返回，经Y型光纤另一个侧枝传入波长解调器，波长解调器接受到一个对应传感器位移信息的变光栅距光栅衍射信号，另一个对应传感器误差信息的等栅距光栅衍射信号；

步骤3：解算不含误差的位移波长

入射光照射在复合光栅某点且光栅未发生翘曲时，传感器自准直入射角度为θ，等栅距光栅栅距为da，衍射波长为λa，变栅距光栅在该点对应的栅距为db，衍射波长为λb，分别将参数代入光栅衍射方程2dsinθ＝λ，两式相比可得

$\frac{d_a}{d_b}=\frac{{\mathrm{\λ}}_a}{{\mathrm{\λ}}_b}---\left(1\right)$

当复合光栅发生翘曲时，设传感器自准直入射角度变为θ′，等栅距光栅栅距为da，衍射波长为λa′，变栅距光栅在该点对应的栅距为db，衍射波长为λb′。分别将参数代入光栅衍射方程，两式相比可得

$\frac{d_a}{d_b}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_a}^{\′}}{{{\mathrm{\λ}}_b}^{\′}}---\left(2\right)$

联立（1）、（2）式可得

${\mathrm{\λ}}_b=\frac{{\mathrm{\λ}}_a{{\mathrm{\λ}}_b}^{\′}}{{{\mathrm{\λ}}_a}^{\′}}---\left(3\right)$

在传感器中，入射光路固定不变，等距光栅衍射波长λa为初始常数，测出复合光栅翘曲后等距光栅和变栅距光栅对应的衍射波长值，从而解算出不含误差的位移波长；

步骤4：位移补偿

传感器工作时，连杆（7）带动反射镜（5）移动，使得通过透镜组（4）的准直光斑照射在复合光栅（6）位置变化，则波长解调器（8）得到不同的波长信号，实现波长与位移的编码，再经过信号处理单元（9）解算出位移信息，实现位移补偿。

本发明的优点是：本发明基于复合光栅的新型线位移传感器，采用复合光栅作为核心器件，通过对变栅距光栅和等栅距光栅衍射信号的获取和处理，能将误差信号从位移信号中剥离出来，很好的解决了在高低温环境中因光栅翘曲产生的误差问题。

附图说明

图1是本发明新型线位移传感器的结构示意图，1：宽带光源，2：Y型光纤，3：壳体，4：透镜组，5：反射镜，6：复合光栅，7：连杆，8：波长解调器，9：信号处理单元。

图2是本发明复合光栅，由等栅距光栅和变栅距光栅组成。

图3是本发明入射光照射模式，入射光斑一半照射在等栅距光栅上，另一半照射在变栅距光栅上。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。请参阅说明书附图1～3。

图1是本发明新型线位移传感器的结构示意图，图2是本发明核心器件复合光栅，由等栅距光栅和变栅距光栅组成。图3是本发明入射光照射模式，入射光斑一半照射在等栅距光栅上，另一半照射在变栅距光栅上。

本发明的结构包括宽带光源1、Y型光纤2、壳体3、透镜组4、反射镜5、复合光栅6、连杆7、波长解调器8和信号处理单元9组成。其中，复合光栅6与壳体3之间通过连接板连接，并由螺钉锁定。宽带光源1由Y型光纤2一个侧枝传入，经透镜组4（准直透镜组）准直后水平射入反射镜5，以入射角θ照射复合光栅6（入射角θ大小，实际直接测量即可)。窄带衍射光以自准直状态沿原光路返回，经Y型光纤2另一个侧枝传入波长解调器8。

基于复合光栅的新型线位移传感器的传感部件采用复合光栅—由等栅距光栅和变栅距光栅组成，入射光一部分照射在等栅距光栅上，另一部分照射在变栅距光栅上。衍射光经光纤导入解调器进行解调，解调器会接收到两个衍射信号，一个为变栅距光栅衍射信号，对应传感器位移信息；另一个为等栅距光栅衍射信号，对应传感器误差信息。通过对两种信息的处理即可得到不含误差的位移信息。

传感器入射光为自准直入射，入射角与衍射角相同，光栅一级衍射公式为：2dsinθ＝λ，对于等距光栅，栅距d为常数，入射角θ恒定时波长λ为定值；对于变栅距光栅，入射θ角恒定时，栅距d和衍射波长λ呈线性变化关系，达到位移测量的目的。当光栅发生翘曲时，自准直角度θ发生微小变化，由前面分析可知d基本不变，由光栅衍射公式可知：等距光栅和变栅距光栅衍射波长均发生漂移。

设入射光照射在复合光栅某点且光栅未发生翘曲时，传感器自准直入射角度为θ，等栅距光栅栅距为d_a，衍射波长为λ_a，变栅距光栅在该点对应的栅距为d_b，衍射波长为λ_b。分别将参数代入光栅衍射方程，两式相比可得

$\frac{d_a}{d_b}=\frac{{\mathrm{\λ}}_a}{{\mathrm{\λ}}_b}---\left(1\right)$

当复合光栅发生翘曲时，设传感器自准直入射角度变为

等栅距光栅栅距为d_a，衍射波长为λ_a′，变栅距光栅在该点对应的栅距为d_b，衍射波长为λ_b′。分别将参数代入光栅衍射方程，两式相比可得

$\frac{d_a}{d_b}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_a}^{\′}}{{{\mathrm{\λ}}_b}^{\′}}---\left(2\right)$

联立（1）、（2）式可得

${\mathrm{\λ}}_b=\frac{{\mathrm{\λ}}_a{{\mathrm{\λ}}_b}^{\′}}{{{\mathrm{\λ}}_a}^{\′}}---\left(3\right)$

在传感器中，入射光路固定不变，等距光栅衍射波长λ_a为初始常数，只需用光谱仪测出复合光栅翘曲后等距光栅和变栅距光栅对应的衍射波长值，即可解算出不含误差的位移波长，达到误差补偿的目的。获取窄带衍射光中心波长后，再由信号处理单元9实现位移误差补偿。

传感器工作时，连杆7带动反射镜5移动，使得通过透镜组4的准直光斑照射在复合光栅6位置变化，则波长解调器8得到不同的波长信号，实现波长与位移的编码，经过信号处理单元9根据光栅衍射方程即可解算出位移信息。

基于复合光栅的新型线位移传感器的传感部件采用复合光栅—由等栅距光栅和变栅距光栅组成，当传感器工作时，解调器会接收到两个衍射信号，一个为变栅距光栅衍射信号，对应传感器位移信息；另一个为等栅距光栅衍射信号，对应传感器误差信息。以在常温和高温条件下为例，分别测得传感器对应波长为：

以常温波长数据为基准，传感器在高温环境下存在波长漂移，如果用传统的单一变栅距光栅传感器，则必然带来测量误差。采用复合光栅分别得到等栅距光栅和变栅距光栅的波长信息，代入（3）式可计算得到实际位置对应的波长为：487.3nm，与初测值相同，完全达到了误差补偿的目的。试验结果证明基于复合光栅的新型线位移传感器能很好的补偿光栅线位移传感器在高低温环境中光栅翘曲造成的位移误差。

本发明基于复合光栅的新型线位移传感器，采用复合光栅作为核心器件，通过对变栅距光栅和等栅距光栅衍射信号的获取和处理，能将误差信号从位移信号中剥离出来，很好的解决了在高低温环境中因光栅翘曲产生的误差问题。

Claims (4)

1.一种基于复合光栅的新型光位移传感器，其特征在于，包括宽带光源（1）、Y型光纤（2）、壳体（3）、透镜组（4）、反射镜（5）、复合光栅（6）、连杆（7）、波长解调器（8）和信号处理单元（9），其中，复合光栅组件（6）是复合光栅粘接在金属衬板上，并设置在壳体（3）内，宽带光源（1）由Y型光纤（2）一个侧枝传入，经准直透镜组（4）准直后射入设置在复合光栅组件（6）上的反射镜（5）上，并反射至复合光栅，复合光栅所产生的窄带衍射光以自准直状态沿原光路返回，经Y型光纤（2）的另一个侧枝传入波长解调器（8），而波长解调器则与信号处理单元（9）相连。

2.根据权利要求1所述的基于复合光栅的新型光位移传感器，其特征是，所述复合光栅由等栅距光栅和变栅距光栅组合而成，沿光栅宽度方向一半为等栅距光栅，另一半为变栅距光栅。

3.根据权利要求1所述的基于复合光栅的新型光位移传感器，其特征是，所述经过反射镜（5）的入射光斑，一半光斑照射在等栅距光栅上，另一半光斑照射在变栅距光栅上。

4.一种基于复合光栅的新型光位移的误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：搭建如权利要求1或2所述的基于复合光栅的新型光位移传感器；

步骤2：

宽带光源（1）由Y型光纤（2）一个侧枝传入，经透镜组（4）准直后水平射入反射镜（5），以入射角θ照射复合光栅（6），入射光一部分照射在等栅距光栅上，另一部分照射在变栅距光栅上；

等栅距光栅和变栅距光栅的窄带衍射光以自准直状态沿原光路返回，经Y型光纤（2）另一个侧枝传入波长解调器（8），波长解调器接受到一个对应传感器位移信息的变光栅距光栅衍射信号，另一个对应传感器误差信息的等栅距光栅衍射信号；

步骤3：解算不含误差的位移波长

入射光照射在复合光栅某点且光栅未发生翘曲时，传感器自准直入射角度为θ，等栅距光栅栅距为d_a，衍射波长为λ_a，变栅距光栅在该点对应的栅距为d_b,衍射波长为λ_b，分别将参数代入光栅衍射方程2dsinθ＝λ，两式相比可得

$\frac{d_a}{d_b}=\frac{{\mathrm{\λ}}_a}{{\mathrm{\λ}}_b}---\left(1\right)$

当复合光栅发生翘曲时，设传感器自准直入射角度变为

等栅距光栅栅距为d_a，衍射波长为λ_a′，变栅距光栅在该点对应的栅距为d_b，衍射波长为λ_b′。分别将参数代入光栅衍射方程，两式相比可得

$\frac{d_a}{d_b}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_a}^{\′}}{{{\mathrm{\λ}}_b}^{\′}}---\left(2\right)$

联立（1）、（2）式可得

${\mathrm{\λ}}_b=\frac{{\mathrm{\λ}}_a{{\mathrm{\λ}}_b}^{\′}}{{{\mathrm{\λ}}_a}^{\′}}---\left(3\right)$

在传感器中，入射光路固定不变，等距光栅衍射波长λ_a为初始常数，测出复合光栅翘曲后等距光栅和变栅距光栅对应的衍射波长值，从而解算出不含误差的位移波长；

步骤4：位移补偿

传感器工作时，连杆（7）带动反射镜（5）移动，使得通过透镜组（4）的准直光斑照射在复合光栅（6）位置变化，则波长解调器（8）得到不同的波长信号，实现波长与位移的编码，再经过信号处理单元（9）解算出位移信息，实现位移补偿。

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