CN105333823B - 光纤位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤位移传感器，用于测量两个物体之间的相对位移量，包括光源、光纤、支架、支架固定装置以及光谱分析仪；所述光纤包括依次设置的光纤环输入臂、光纤环和光纤环输出臂；所述光纤环输入臂与所述光源连接，所述光纤环输出臂与所述光谱分析仪连接；所述光纤环包括依次设置的输入段、弯曲段和输出段；所述支架用于固定所述光纤环输入臂和光纤环输出臂，并使得所述光纤环输入臂、光纤环输出臂保持直线状态；所述支架固定装置用于将支架固定在待测的两个物体上；所述光谱分析仪用于根据光纤传输谱线中共振波长的变化量计算得到所述两个物体的相对位移量。上述光纤位移传感器的结构简单，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种光纤位移传感器。
背景技术
光纤传感器以其灵敏度和精度高等优点广泛应用于建筑、工业生产、医疗以及国防等领域。传统的使用较为广泛的光纤位移传感器为强度调制型和波长调制型这两种类型。传统的光纤位移传感器的结构较为复杂，成本较高。
发明内容
基于此，有必要提供一种结构简单且成本低的光纤位移传感器。
一种光纤位移传感器，用于测量两个物体之间的相对位移量，包括光源、光纤、支架、支架固定装置以及光谱分析仪；
所述光纤包括依次设置的光纤环输入臂、光纤环和光纤环输出臂；所述光纤环输入臂与所述光源连接，所述光纤环输出臂与所述光谱分析仪连接；
所述光纤环包括依次设置的输入段、弯曲段和输出段；所述输入段与所述光纤环输入臂连接且与所述光纤环输出臂同侧设置；所述输出段与所述光纤环输出臂连接且与所述光纤环输入臂同侧设置；
所述支架包括第一支架和第二支架；所述第一支架用于固定所述光纤环输入臂使得所述光纤环输入臂保持直线状态；所述第二支架用于固定所述光纤环输出臂使得所述光纤环输出臂保持直线状态；
所述支架固定装置包括第一支架固定装置和第二支架固定装置；所述第一支架固定装置设置于所述第一支架上；所述第二支架固定装置设置于所述第二支架上；所述第一支架固定装置与所述第一支架的接触点和所述第二支架固定装置与所述第二支架的接触点之间的连线平行于所述弯曲段的弦长；所述第一支架固定装置、所述第二支架固定装置分别用于固定在待测的两个物体上；
所述光谱分析仪用于根据光纤传输谱线中共振波长的变化量计算得到所述两个物体的相对位移量。
在其中一个实施例中，所述光纤环通过火焰加热并弯曲的方法制备得到。
在其中一个实施例中，所述第一支架和所述第二支架具有对称的结构；所述第一支架和所述第二支架上均刻有刻度相同且一一对应的量程标尺；所述第一支架固定装置在所述第一支架中的位置处对应的量程与所述第二支架固定装置在所述第二支架中的位置处对应的量程相同。
在其中一个实施例中，所述量程标尺上还刻有灵敏度刻度；所述灵敏度刻度与量程刻度一一对应，且灵敏度越高对应的量程越小。
在其中一个实施例中，所述第一支架固定装置包括第一支架固定接头，所述第一支架固定接头包括夹紧和放松状态，分别用于与所述第一支架相固定和沿所述第一支架的长度方向移动；所述第二支架固定装置包括第二支架固定接头；所述第二支架固定接头包括夹紧和放松状态，分别用于与所述第二支架相固定和沿所述第二支架的长度方向移动。
在其中一个实施例中，所述第一支架固定装置和所述第二支架固定装置中均设置有标尺指针；所述标尺指针用于选定所述光纤位移传感器的量程。
在其中一个实施例中，还包括光纤环外壳；所述光纤环外壳用于容纳并保护所述光纤环；所述第一支架和所述第二支架均与所述光纤环外壳可拆卸连接。
在其中一个实施例中，还包括固定装置；所述第一支架和所述第二支架均通过所述固定装置与所述光纤环外壳可拆卸连接。
在其中一个实施例中，所述光纤还包括输入连接光纤和输出连接光纤；所述输入连接光纤分别与所述光源、所述光纤环输入臂连接；所述输出连接光纤分别与所述光谱分析仪、所述光纤环输出臂连接；所述输入连接光纤和所述输出连接光纤均为铠装光纤。
在其中一个实施例中，还包括连接固定装置；所述连接固定装置分别设置于所述第一支架上与所述输入连接光纤连接的一端、所述第二支架上与所述输出连接光纤连接的一端；所述连接固定装置用于固定所述输入连接光纤和所述输出连接光纤。
上述光纤位移传感器通过支架固定装置固定在被测的两个物体上。当被测的两个物体间发生相对位移后，第一支架和第二支架之间的距离会发生变化，从而使得光纤环输入臂和光纤环输出臂之间的距离发生变化，继而引起光纤环的半径以及弦长发生变化，从而使得光纤传输谱线中的共振波长发生变化。光谱分析仪通过共振波长的变化即可计算出两物体的相对位移量。上述光纤位移传感器的结构简单，成本较低。
附图说明
图1为一实施例中的光纤位移传感器的结构示意图；
图2为图1中的光纤环输入臂、光纤环和光纤环输出臂的整体结构示意图；
图3为图1中的固定装置的结构示意图；
图4为图1中的光纤位移传感器处于初始状态时理论计算得出的光纤传输系统在1200～1800纳米波长范围内的传输谱线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种光纤位移传感器，用于测量两个物体之间的相对位移量，从而为精密位移的测量提供了一种简单而有效的测量方法。本实施例中的光纤位移传感器为波长调制型光纤位移传感器。图1为一实施例中的光纤位移传感器100的结构示意图。该光纤位移传感器100包括光源110、光纤120、支架130、支架固定装置140以及光谱分析仪150。
光源110用于生成发射光。在本实施例中，光源110为宽带光源。
光纤120作为光传输介质，分别与光源110、光谱分析仪150连接，从而组成完整的光传输系统。在本实施例中，光纤120为单模通信光纤，其包层和纤芯的直径分别为125微米和9微米。在其他的实施例中，光纤120可以根据需要使用多模光纤或者光子晶体光纤。具体地，光纤120包括依次设置的光纤环输入臂122、光纤环124和光纤环输出臂126。光纤环输入臂122与光源110连接，光纤环输出臂126则与光谱分析仪150连接。光纤环124用于使入射到光纤120中的光发生干涉现象。具体地，光纤环124包括依次设置的输入段1242、弯曲段1244和输出段1246。光纤环124的输入段1242与光纤环输入臂122连接，且与光纤环输出臂126同侧设置。光纤环124的输出段1246与光纤环输出臂126连接，且与光纤环输入臂122同侧设置。即，光纤环输入臂122和光纤环输出臂126相交于光纤环124的同一点，光纤环124的输入段1242和输出段1246同样相交于该点，从而使得光纤环124的弯曲段1244的弦长D以及半径R会跟随光纤环输入臂122和光纤环输出臂126之间的距离的增大而减小。在本实施例中，光纤环124通过火焰加热并弯曲的方法制备得到。传统的光纤环是通过在光纤上直接施加外力进行弯曲制备得到。这种弯曲方法容易在光纤上产生应力集中点，从而导致光纤断裂的情况发生。采用本实施例中的弯曲方法可以很好的克服上述问题。光纤环124的半径R可以通过改变所加热的光纤的长度来自由调节。在本实施例中，光纤环124处于初始状态时，其弯曲段1244的弯曲半径R为0.6毫米，弯曲长度L为2毫米。在其他的实施例中，光纤环124的弯曲段1244的弯曲半径R和弯曲长度L可以根据实际需要来设定。
支架130包括第一支架132和第二支架134。其中，第一支架132用于固定光纤环输入臂122，使得光纤环输入臂122保持直线状态。第二支架134则用于固定光纤环输出臂126，使得光纤环输出臂126保持直线状态。通过支架130的固定作用，可以确保光纤环124的弯曲段1244的弦长D与光纤环输入臂122和光纤环输出臂126上相应两点之间的距离成线性关系。图2为光纤环输入臂122、光纤环124以及光纤环输出臂126的整体结构示意图。在本实施例中，光纤环124的弯曲段1244的弦长D与光纤环输入臂122和光纤环输出臂126之间的距离d成正比关系，即d＝aD；其中a表示正比系数。
支架固定装置140包括第一支架固定装置142和第二支架固定装置144。第一支架固定装置142设置于第一支架132上，第二支架固定装置144设置于第二支架134上。并且，第一支架固定装置142和第二支架固定装置144分别用于固定在待测的两个物体上，从而在待测的两个物体之间发生相对位移时，带动第一支架132或者第二支架134移动，引起光纤环输入臂122和光纤环输出臂126之间的距离发生改变，进而引起光纤环124的弯曲段1246的半径R以及弦长D发生改变，导致光纤传输谱线中共振波长发生改变。第一支架固定装置142与第一支架132的接触点和第二支架固定装置144与第二支架134的接触点之间的连线平行于弯曲段1244的弦长D，从而确保第一支架固定装置142和第二支架固定装置144二者之间的距离(即光纤环输入臂和光纤环输出臂对应两点之间的距离d)与光纤环124的弯曲段1244的弦长D成正比关系。
光谱分析仪150用于根据光纤传输谱线中共振波长的变化量计算得到待测的两个物体的相对位移量。
上述光纤位移传感器100通过支架固定装置140固定在被测的两个物体上。在被测的两个物体间发生相对位移后，第一支架132和第二支架134之间的距离会发生变化，从而使得光纤环输入臂122和光纤环输出臂126之间的距离发生变化，继而引起光纤环124的半径R发生变化，使得光纤传输谱线中的共振波长发生变化。光谱分析仪150通过该变化即可计算出两物体的相对位移量。上述光纤位移传感器100具有结构简单，成本较低的优点。
参见图1，在本实施例中，上述光纤位移传感器100还包括光纤环外壳160。光纤环外壳160用于容纳并保护光纤环124，避免光纤环124受到外界影响导致变形进而引起光纤传输谱线中的共振波长发生变化，可以确保测量的精准度。在本实施例中，光纤环外壳126为立方体，其沿光纤环124所在面的截面的长度和宽度均应该大于光纤环124允许的最大直径。
在本实施例中，光纤环外壳160上还设置有固定装置(图1中未示)。固定装置用于实现第一支架132、第二支架134与光纤环外壳160之间的可拆卸连接。具体地，固定装置为卡槽结构162，其设置有两个，以分别与第一支架132、第二支架134连接，如图3所示。因此，在光纤位移传感器100实际使用时，先分别通过第一支架固定装置142、第二支架固定装置144将第一支架132、第二支架134固定在要发生相对位移的两个物体上，然后打开其中一个卡槽结构162，使得第一支架132和第二支架134之间的距离可以跟随被测量的两个物体之间的相对位移的变化而变化。另一个未打开的卡槽结构162则用于将光纤环外壳160固定在与其连接的支架130上，从而在光纤位移传感器100的实际工作中保护光纤环124。在其他的实施例中，固定装置也可以为其他本领域常用的固定装置，并不限于本实施例中的卡槽结构162。
参见图1，第一支架132和第二支架134具有对称的结构。并且，第一支架132和第二支架134上均设置有刻度相同且一一对应的量程标尺170。量程标尺170用于表征第一支架132、第二支架134上不同位置的测量量程。在本实施例中，量程标尺170上还刻有灵敏度刻度，灵敏度刻度与量程刻度一一对应且灵敏度越高对应的量程越小。在本实施例中，由于光纤输入臂122和光纤输出臂126上两点的距离d与光纤环124的弦长D成正比关系，因此量程标尺170上越靠近光纤环124的一端的灵敏度越高、量程越小；远离光纤环124的一端则灵敏度越低且量程越大。在本实施例中，第一支架固定装置142包括第一支架固定接头。第一支架固定接头包括加紧和放松两种状态，分别用于与第一支架132相固定和沿第一支架134的长度方向移动。第二支架固定装置144则包括第二支架固定接头。第二支架固定接头包括加紧和放松两种状态，分别用于与第二支架134相固定和沿第二支架134的长度方向移动。因此，通过第一支架固定接头和第二支架固定接头的移动，分别带动第一支架固定装置142和第二支架固定装置144在第一支架132和第二支架134上移动，从而对光纤位移传感器100的量程和灵敏度进行选取。在本实施例中，第一支架固定装置142和第二支架固定装置144上均设置有标尺指针146。标尺指针146用于指示当前光纤位移传感器100所选定的灵敏度以及量程范围。
在本实施例中，上述光纤位移传感器100的光纤120还包括输入连接光纤128和输出连接光纤129。输入连接光纤128分别与光源110、光纤环输入臂122连接，输出连接光纤129则分别与光谱分析仪150、光纤环输出臂126连接。通过设置输入连接光纤128和输出连接光纤129可以在实际测量过程中形成一定的缓冲，对光纤120进行保护。在本实施例中，输入连接光纤128和输出连接光纤129均为铠装光纤，以保护输入连接光纤128和输出连接光纤129内的光纤不受到损坏。输入连接光纤128和输出连接光纤129分别通过连接固定装置127固定于第一支架132、第二支架134上。
下面对本实施例中的光纤位移传感器100的工作原理做详细说明。
如前所述，光纤环124用于使入射到光纤120中的光发生干涉现象。具体的，在光纤环124的制备过程中,由于其截面处的应力分布不均,导致弯曲段1244处产生明显的双折射效应(也称弹光效应)，相应的双折射率βb为：
βb＝k×(nx-ny)＝0.25kn3×(p11-p12)×(1+v)×R-2×r2 (1)
其中，nx和ny分别为快轴和慢轴上的折射率，快轴平行于光纤的弯曲平面，慢轴垂直于光纤的弯曲平面；k为真空中的波矢，n为光纤纤芯的折射率，p11和p12为压光系数(由于外界应力或应变，引起折射率改变的物理量)；v是泊松比，R是光纤环124的弯曲段1244的半径，r是纤芯的半径。
当纤芯中沿快轴和慢轴的两个路径的光的相位差φ的值为(2m+1)π时，这两束光就会产生干涉相消的现象。因此，当一束宽带光源经过光纤环124后，出射的传输谱线中就会出现干涉谷，相应的共振波长λres可以通过下面的公式求得：
即
其中，m为整数，L为光纤环124的弯曲段1244的长度。
由公式(1)和(2)可以看出，共振波长λres与弯曲半径R的二次方成反比的关系。当弯曲半径R变大的时候，共振波长λres会减小，反之，共振波长λres会增大。
另外，光纤环124的弯曲段1244的弦长D与弯曲半径R之间的关系如下：
并且，光纤环输入臂122和光纤环输出臂126对应两点之间的距离(即第一支架固定装置142和第二支架固定装置144之间的距离)d与光纤环124的弯曲段1244的弦长D为正比关系，因此根据公式(3)可知，光纤环输入臂122和光纤环输出臂126上对应两点的距离d与光纤环124的弯曲段1244的弯曲半径R的二次方的负值成反比，即与弯曲半径R的二次方成正比。
综上分析，光纤环124的传输谱线的共振波长λres与光纤环输入臂122和光纤环输出臂126上对应两点的距离d是线性负相关关系，即光纤环输入臂122和光纤环输出臂126上对应两点的距离d增加时，共振波长λres线性减小，反之，共振波长λres线性增加，从而使得光纤位移传感器100在低量程范围内具有较高的灵敏度。因此，通过测量光纤环124的传输谱线中共振波长λres的移动量，就可以计算得出光纤环输入臂122和光纤环输出臂126上对应两点距离d的变化量，即测量的两个物体之间的相对位移量。
上述光纤位移传感器100的光纤环124的弯曲段1244的半径R在毫米量级，光纤环输入臂122和光纤环输出臂126的长度为数个厘米的长度，因此，整个光纤位移传感器100的体积非常紧凑，适合目前生产中对器件小型化的需求。
图4为光纤位移传感器100处于初始状态(即光纤环输入臂122和光纤环输出臂126没有发生相对位置变化)时理论计算得出的光纤传输系统在1200～1800纳米波长范围内的传输谱线。其中，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ分别代表的是传输谱线中位于1621.20、1430.53和1279.87纳米处的共振波长。
表1所示为正比系数a为0.5、1和2的时候，光纤环输入臂122和光纤环输出臂126上相应两点间发生不同位移后传输谱线中共振波长λres在Ⅰ处的理论计算值。其中，负的相对位移表示该两点间的距离减小，正的相对位移表示该两点间的距离增加。
表1：
从表1中可以明显看出，本实施例中的光纤位移传感器100的灵敏度较高，且量程越小其灵敏度越高。并且，光纤环输入臂122和光纤环输出臂126上相应两点之间的相对位移量与共振波长λres的变化量之间几乎是线性关系。因此，本实施例中的光纤位移传感器100特别适合精密位移的测量，可用于医疗和精密机械领域。
上述光纤位移传感器100的灵敏度和量程可调，相比于传统的光纤位移传感器而言就有更高的灵敏度、更简单的结构和制造工艺，成本较低。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光纤位移传感器，用于测量两个物体之间的相对位移量，其特征在于，包括光源、光纤、支架、支架固定装置以及光谱分析仪；
所述光纤包括依次设置的光纤环输入臂、光纤环和光纤环输出臂；所述光纤环输入臂与所述光源连接，所述光纤环输出臂与所述光谱分析仪连接；
所述光纤环包括依次设置的输入段、弯曲段和输出段；所述输入段与所述光纤环输入臂连接且与所述光纤环输出臂同侧设置；所述输出段与所述光纤环输出臂连接且与所述光纤环输入臂同侧设置；
所述支架包括第一支架和第二支架；所述第一支架用于固定所述光纤环输入臂使得所述光纤环输入臂保持直线状态；所述第二支架用于固定所述光纤环输出臂使得所述光纤环输出臂保持直线状态；
所述支架固定装置包括第一支架固定装置和第二支架固定装置；所述第一支架固定装置设置于所述第一支架上；所述第二支架固定装置设置于所述第二支架上；所述第一支架固定装置与所述第一支架的接触点和所述第二支架固定装置与所述第二支架的接触点之间的连线平行于所述弯曲段的弦长；所述第一支架固定装置、所述第二支架固定装置分别用于固定在待测的两个物体上；
所述光谱分析仪用于根据光纤传输谱线中共振波长的变化量计算得到所述两个物体的相对位移量。
2.根据权利要求1所述的光纤位移传感器，其特征在于，所述光纤环通过火焰加热并弯曲的方法制备得到。
3.根据权利要求1所述的光纤位移传感器，其特征在于，所述第一支架和所述第二支架对称设置；所述第一支架和所述第二支架上均刻有刻度相同且一一对应的量程标尺；所述第一支架固定装置在所述第一支架中的位置处对应的量程与所述第二支架固定装置在所述第二支架中的位置处对应的量程相同。
4.根据权利要求3所述的光纤位移传感器，其特征在于，所述量程标尺上还刻有灵敏度刻度；所述灵敏度刻度与量程刻度一一对应，且灵敏度越高对应的量程越小。
5.根据权利要求3或4所述的光纤位移传感器，其特征在于，所述第一支架固定装置包括第一支架固定接头，所述第一支架固定接头包括夹紧和放松状态，分别用于与所述第一支架相固定和沿所述第一支架的长度方向移动；所述第二支架固定装置包括第二支架固定接头；所述第二支架固定接头包括夹紧和放松状态，分别用于与所述第二支架相固定和沿所述第二支架的长度方向移动。
6.根据权利要求5所述的光纤位移传感器，其特征在于，所述第一支架固定装置和所述第二支架固定装置中均设置有标尺指针；所述标尺指针用于选定所述光纤位移传感器的量程。
7.根据权利要求1所述的光纤位移传感器，其特征在于，还包括光纤环外壳；所述光纤环外壳用于容纳并保护所述光纤环；所述第一支架和所述第二支架均与所述光纤环外壳可拆卸连接。
8.根据权利要求7所述的光纤位移传感器，其特征在于，还包括固定组件；所述第一支架和所述第二支架均通过所述固定组件与所述光纤环外壳可拆卸连接。
9.根据权利要求1所述的光纤位移传感器，其特征在于，所述光纤还包括输入连接光纤和输出连接光纤；所述输入连接光纤分别与所述光源、所述光纤环输入臂连接；所述输出连接光纤分别与所述光谱分析仪、所述光纤环输出臂连接；所述输入连接光纤和所述输出连接光纤均为铠装光纤。
10.根据权利要求9所述的光纤位移传感器，其特征在于，还包括连接固定装置；所述连接固定装置分别设置于所述第一支架上与所述输入连接光纤连接的一端、所述第二支架上与所述输出连接光纤连接的一端；所述连接固定装置用于固定所述输入连接光纤和所述输出连接光纤。
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