CN104697471A - 一种基于偏振光调制的光角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于偏振光调制的光角位移传感器。它由第一光电转换器（1）、单色光源（2）、2×2光纤耦合器（3）、第二光电转换器（4）、扩束透镜（5）、起偏器（6）、检偏器（7）、转轴（8）和传感器壳体（9）组成，复合光栅（6）与壳体（3）之间通过连接板连接。本发明是一种全光型角位移传感器，可通过对光强的测量来反推出角度大小。

Description

一种基于偏振光调制的光角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种光角位移传感器。

背景技术

新型光传飞控系统提出了光位移传感器的研制需求。数字光传飞控系统中的关键部件之一是光学位移传感器，包括用于检测直线位移的光学线位移传感器，和用于检测转角位移的光学角位移传感器两大类。一架典型的飞机，仅这两类位移传感器就有数十种之多。这些传感器布线的复杂性和重量的增加都是相当可观的。若使用光学位移传感器，情况就会得到很大的改善，除了有重量轻和抗外部电磁干扰的优点之外，在传输中，相邻光纤之间绝对没有相互干扰，因此，布线变得极为简单，并大大提高了工作可靠性。基于光学原理的角位移传感器种类很多。目前，适用于光传系统的主要有以下两类：光码盘型角位移传感器和光栅型角位移传感器。

光码盘型角位移传感器是直接编码型角位移传感器，数据处理简单，但该传感器所用的码道多，结构较复杂，所以测量精度和响应速度较低。此类传感器已应用于部分测量精度不高的场合。光栅型角位移传感器能够测量接近2π的角位移。但该类传感器工艺较为复杂，仍需要进一步工程化改进，譬如信号解调系统小型化和实用化。

以上两种光角位移传感器均含有较复杂的光器件和光路，体积不能做的太小，一般直径大于20mm，且结构复杂成本较高。

发明内容

本发明的目的是：本文提出一种基于偏振光调制的光角位移传感器，旨在设计一种全光型角位移传感器，且该传感器可以消除光源强度变化带来的误差。

本发明的技术方案为：1.一种基于偏振光调制的光角位移传感器，其特征在于：该传感器由第一光电转换器1、单色光源2、2×2光纤耦合器3、第二光电转换器4、扩束透镜5、起偏器6、检偏器7、转轴8和传感器壳体9组成；其中，起偏器6、检偏器7、转轴8安装于传感器壳体9内；2×2光纤耦合器3将入射光分配传输给第二光电转换器4和扩束透镜5；扩束透镜5将入射光扩束准直后传输到起偏器6；起偏器6将入射光调制为线偏振光后传输到检偏器7；检偏器7的一面镀全反射膜用来反射入射光，该面与转轴8固定连接；初始状态时，起偏器6和检偏器7相互平行且偏振方向一致，当转轴8转动时，检偏器7随之转动，起偏器6偏振方向固定，使起偏器6和检偏器7上的偏振方向形成一定夹角，根据马吕斯定律:I=I₀cos²θ,从而达到对光强的调制，光强和角度关系经过标定后，可通过对光强的测量来反推出角度大小；经过检偏器7的反射光通过2×2光纤耦合器3传输给第一光电转换器1，将第一光电转换器1与第二光电转换器4分别得到的电信号相比，用来实现位移误差补偿。

本发明的优点是：本发明一种基于偏振光调制的光角位移传感器，其核心器件主要由两片偏振片组成，传感部件和信号传输均为全光型，因此具有强的抗电磁干扰特性。除此之外，该传感器结构简单，成本低、易小型化、精度高等优点。且该传感器可以消除光源强度变化带来的误差。

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：光电转换器，2：单色光源，3：2×2光纤耦合器，4：光电转换器，5：扩束透镜，6：起偏器，7：检偏器，8：转轴，9：传感器壳体。

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。

本发明的结构包括第一光电转换器1、单色光源2、2×2光纤耦合器3、第二光电转换器4、扩束透镜5、起偏器6、检偏器7、转轴8和传感器壳体9组成，其中，起偏器6、检偏器7、转轴8安装于传感器壳体9内；2×2光纤耦合器3将入射光分配传输给第二光电转换器4和扩束透镜5；扩束透镜5将入射光扩束准直后传输到起偏器6；起偏器6将入射光调制为线偏振光后传输到检偏器7；检偏器7的一面镀全反射膜用来反射入射光，该面与转轴8固定连接，初始状态时，起偏器6和检偏器7相互平行且偏振方向一致，当转轴8转动时，检偏器7随之转动，起偏器6偏振方向固定。

本发明是一种全光型角位移传感器，传感器工作时，单色光源2发出的单色光经过2×2光纤耦合器3传输给第二光电转换器4和扩束透镜5，扩束透镜5将入射光扩束准直后依次传输到起偏器6和检偏器7，然后经检偏器7反射后经原光路返回到2×2光纤耦合器3，再由2×2光纤耦合器3传输给第一光电转换器1。

本发明所述的传感器是一种全光型角位移传感器，其核心器件是由起偏器和检偏器分别包含的1块同规格偏振片组成，初始状态起偏器和检偏器相互平行且偏振方向一致，起偏器偏振方向固定，检偏器偏振方向随轴转动。当轴转动时，检偏器随之转动，使得两块偏振片偏振方向形成一定夹角，根据马吕斯定律:I=I₀cos²θ，从而达到对光强的调制。光强和角度关系经过标定后，即可通过对光强的测量来反推出角度大小。

系统设计原理：单色光源2入射2×2光纤耦合器3后一部分进入传感器，光强经传感器调制后返回被第一光电转换器1接收；一部分经2×2光纤耦合器3被第二光电转换器4接收为了消除光源强度波动及环境振动对测量结果的影响，系统中设计用测量光强与参考光强相比消除影响。假设入射光源强度为I₀，光纤耦合器分光比95：5，起偏器偏振片1透过率为0.5，两偏振片偏振方向夹角为θ，耦合、传输和反射损耗不计，则有：

单色光源2入射光经2×2光纤耦合器3分配传输透过偏振片6后光强为：

I=0.95×0.5I₀

经过偏振片7反射后沿原光路返回到第一光电转换器1信号强度为：

I₁=0.95²×0.5I₀cos⁴θ

第二光电转换器4探测到信号强度为：I₂=0.05I₀

第一光电转换器1与第二光电转换器4探测光强度比为：

$\begin{array}{c}{I}_1/I_2={0.95}^2\×0.5I_0{\cos }^4\underset{\·}{\mathrm{\θ}}/0.05I_0\\ =9.025{\cos }^4\mathrm{\θ}\end{array}$

探测信号通过处理后变为与光强无关的调制信号，当θ在0到90°范围内变化时，通过标定可得到探测值与角度一一对应关系。

传感器中所用的光学器件均不需特殊研制，可选用市场上成熟产品，可大大缩减传感器研发周期。

由以上分析可知，该偏振调制型光角位移传感器可消除光源波动对测量信号的影响，降低了光源器件选型要求，且可通过选择光纤耦合器分光比来调节信号大小，提高传感器分辨率。

本发明偏振调制型光角位移传感器结构简单,易小型化，对机加工没有苛刻要求,角分辨率较高,造价低廉。通过以上分析可知该偏振调制型光角位移传感器具有突出的优点和较强的可行性。基于偏振光调制的光角位移传感器，其核心器件主要由两片偏振片组成，传感部件和信号传输均为全光型，因此具有强的抗电磁干扰特性。除此之外，该传感器结构简单，成本低、易小型化、精度高等优点。且该传感器可以消除光源强度变化带来的误差。

Claims (2)

1.一种基于偏振光调制的光角位移传感器，其特征在于：该传感器由第一光电转换器（1）、单色光源（2）、2×2光纤耦合器（3）、第二光电转换器（4）、扩束透镜（5）、起偏器（6）、检偏器（7）、转轴（8）和传感器壳体（9）组成；其中，起偏器（6）、检偏器（7）、转轴（8）安装于传感器壳体（9）内；2×2光纤耦合器（3）将入射光分配传输给第二光电转换器（4）和扩束透镜（5）；扩束透镜（5）将入射光扩束准直后传输到起偏器（6）；起偏器（6）将入射光调制为线偏振光后传输到检偏器（7）；检偏器（7）的一面镀全反射膜用来反射入射光，该面与转轴（8）固定连接；初始状态时，起偏器（6）和检偏器（7）相互平行且偏振方向一致，当转轴（8）转动时，检偏器（7）随之转动，起偏器（6）偏振方向固定，使起偏器（6）和检偏器（7）上的偏振方向形成一定夹角，根据马吕斯定律:I=I₀cos²θ,从而达到对光强的调制，光强和角度关系经过标定后，可通过对光强的测量来反推出角度大小；经过检偏器（7）的反射光通过2×2光纤耦合器（3）传输给第一光电转换器（1），将第一光电转换器（1）与第二光电转换器（4）分别得到的电信号相比，用来实现位移误差补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振光调制的光角位移传感器，其特征是，起偏器（6）和检偏器（7）均为圆形线偏振片，规格相同。