CN105737741A - 集成化干涉型微位移光纤传感器及其标定装置和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化干涉型微位移光纤传感器及其标定装置和标定方法，集成化干涉型微位移光纤传感器包括光纤准直器、超小光纤镜头、光纤干涉仪模块、指示激光器、宽带激光器、数据采集卡和计算机；集成化干涉型微位移光纤传感器的标定装置，包括目标反射镜、固定平台、带螺纹的五维调整台；集成化干涉型微位移光纤传感器的标定方法，将超小光纤镜头的输出端正对目标反射镜，通过轴线移动带螺纹的五维调整台，得出输出干涉强度的电压与微位移的函数关系，即为集成化干涉型微位移光纤传感器的标定函数。根据本发明提供的集成化干涉型微位移光纤传感器及标定方法，可用于微小位移量的高精度、快速测量和标定。

Description

集成化干涉型微位移光纤传感器及其标定装置和标定方法

技术领域

本发明涉及一种集成化干涉型微位移光纤传感器及其标定装置和标定方法，用于微小位移量的测量领域。

背景技术

随着测试仪器向集成化、高精度方向的发展，对于科研和生产过程中位移的精密检测，尤其是微小位移内窥式测量中的要求越来越高。光纤传感器是伴随着光纤及通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器利用光在光纤中传播特性的变化来调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随被测量的变化而改变，从而求得被测信号的大小。可用于微小位移内窥式测量中的集成化干涉型微位移光纤传感器是微小位移内窥式测量技术发展的一个重要方向。然而，对于集成化的干涉型微位移光纤传感器，目前市场上虽然存在单独的光纤干涉仪模块和传感器标定装置，但缺少商用或专用的基于超小光纤镜头的集成化干涉型微位移光纤传感器。

一个典型的集成化干涉型微位移光纤传感器应包括光纤干涉仪模块、超小光纤镜头和标定装置，目前，虽然有超小光纤镜头、专用光纤干涉仪模块和传感器标定装置的研究，但缺少它们的组合使用，尤其缺少超小光纤镜头和光纤干涉仪模块熔接集成的干涉型微位移光纤传感器。本发明正是针对这一关键技术进行展开的。

发明内容

本发明的目的在于解决目前尚无商用或专用的集成化干涉型微位移光纤传感器，提供一种集成化干涉型微位移光纤传感器及其标定装置和标定方法，是一种微小微位移内窥式测量装置及标定方法，可用于微深孔等狭小空间尺寸方面的微位移的快速、高精度检测技术，而且操作容易、便捷。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种集成化干涉型微位移光纤传感器，包括光纤准直器、超小光纤镜头、光纤干涉仪模块、指示激光器、宽带激光器、数据采集卡和计算机，所述光纤准直器、超小光纤镜头、指示激光器、宽带激光器分别通过光纤跳线连接光纤干涉仪模块，所述光纤干涉仪模块通过数据线连接数据采集卡和计算机。

所述光纤干涉仪模块包括参考臂接口、信号臂接口、指示激光接口、宽带激光接口、平衡探测器输出接口、宽带50/50熔融耦合器、WDM耦合器、环形器和平衡探测器；所述宽带50/50熔融耦合器一端分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口和所述信号臂接口；所述WDM耦合器一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器，所述WDM耦合器另一端分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口和所述平衡探测器；所述环形器一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器，所述环形器另一端分别通过光纤跳线连接所述宽带激光接口和所述平衡探测器；所述光纤准直器和所述超小光纤镜头分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口和所述信号臂接口；所述指示激光器和所述宽带激光器分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口和所述宽带激光接口；所述数据采集卡分别通过数据线连接所述平衡探测器输出接口和所述计算机；所述光纤准直器输出端镀反射膜。

所述超小光纤镜头由多模光纤镜头、空芯光纤隔片和单模光纤依次熔接而成。

一种集成化干涉型微位移光纤传感器的标定装置，基于上述的集成化干涉型微位移光纤传感器，包括目标反射镜、固定平台、带螺纹的五维调整台，所述目标反射镜和所述带螺纹的五维调整台分别通过夹具垂直固定于所述固定平台上；所述超小光纤镜头通过磁吸夹具固定于所述带螺纹的五维调整台上；所述超小光纤镜头的输出端正对所述目标反射镜。

一种集成化干涉型微位移光纤传感器的标定方法，采用上述的集成化干涉型微位移光纤传感器及其标定装置，具体实施步骤如下：

（1）选取分别与所述光纤准直器和所述超小光纤镜头连接的光纤跳线，使光纤跳线和所述光纤准直器连接的总长度，与光纤跳线和所述超小光纤镜头连接的总长度近似相等；

（2）调整所述带螺纹的五维调整台的方位，使所述超小光纤镜头的中轴线垂直正对所述目标反射镜；

（3）移动所述带螺纹的五维调整台的沿所述超小光纤镜头轴线方向的螺纹，使所述计算机输出的表示干涉强度的电压值达到最大I ₀，记录此时螺纹所示位置读数x ₀；

（4）移动螺纹微小位移Δx，在所述计算机中记录此时对应的表示干涉强度的电压值I ₁；

（5）重复步骤（4）的操作，依次移动螺纹微小位移2Δx、3Δx、……、NΔx，在所述计算机中记录对应的表示干涉强度的电压值I ₂、I ₃、……、I _N，至移动螺纹微小位移（N+1）Δx时，干涉强度的电压值I _N+1近似为0；

（6）根据上述步骤取得的表示干涉强度的电压值I ₀、I ₁、I ₂、I ₃、……、I _N和对应的位置x ₀、x ₀+Δx、x ₀+2Δx、x ₀+3Δx、……、x ₀+NΔx，分别作为纵坐标和横坐标，并令x ₀为0，进行曲线拟合得出输出干涉强度的电压与微位移的函数关系，即为所述集成化干涉型微位移光纤传感器的标定函数。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明装置将超小光纤镜头、干涉仪模块和标定装置集成在一块，实现了干涉型微位移光纤传感器装置的集成化，并解决了狭小空间目标的微位移检测难题，而且操作容易、便捷。

附图说明

图1是本发明的集成化干涉型微位移光纤传感器整体结构示意图。

图2是本发明的光纤干涉仪模块示意图。

图3是本发明的超小光纤镜头结构示意图。

图4是本发明的集成化干涉型微位移光纤传感器的标定方法步骤框图。

具体实施方式

本发明的优选实施方式结合附图论述如下：

参见图1，一种集成化干涉型微位移光纤传感器，包括光纤准直器101、超小光纤镜头102、光纤干涉仪模块105、指示激光器108、宽带激光器109、数据采集卡111和计算机112，所述光纤准直器101、超小光纤镜头102、指示激光器108、宽带激光器109分别通过光纤跳线连接光纤干涉仪模块105，所述光纤干涉仪模块105通过数据线连接数据采集卡111和计算机112。

如图2所示，所述光纤干涉仪模块105包括参考臂接口103、信号臂接口104、指示激光接口106、宽带激光接口107、平衡探测器输出接口110、宽带50/50熔融耦合器201、WDM耦合器202、环形器203和平衡探测器204；所述宽带50/50熔融耦合器201一端分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口103和所述信号臂接口104；所述WDM耦合器202一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器201，所述WDM耦合器202另一端分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口106和所述平衡探测器204；所述环形器203一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器201，所述环形器203另一端分别通过光纤跳线连接所述宽带激光接口107和所述平衡探测器204；所述光纤准直器101和所述超小光纤镜头102分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口103和所述信号臂接口104；所述指示激光器108和所述宽带激光器109分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口106和所述宽带激光接口107；所述数据采集卡111分别通过数据线连接所述平衡探测器输出接口110和所述计算机112；所述光纤准直器101输出端镀反射膜113。

如图3所示，所述超小光纤镜头102由多模光纤镜头301、空芯光纤隔片302和单模光纤303依次熔接而成。

参见图1，一种集成化干涉型微位移光纤传感器的标定装置，基于上述集成化干涉型微位移光纤传感器，包括目标反射镜114、固定平台115、带螺纹的五维调整台116，所述目标反射镜114和所述带螺纹的五维调整台116分别通过夹具垂直固定于所述固定平台115；所述超小光纤镜头102通过磁吸夹具固定于所述带螺纹的五维调整台116上；所述超小光纤镜头102的输出端正对所述目标反射镜114。

参见图4，一种集成化干涉型微位移光纤传感器的标定方法，采用上述集成化干涉型微位移光纤传感器及标定装置，具体实施步骤如下：

（1）选取分别与所述光纤准直器101和所述超小光纤镜头102连接的光纤跳线，使光纤跳线和所述光纤准直器101连接的总长度，与光纤跳线和所述超小光纤镜头102连接的总长度近似相等；

（2）调整所述带螺纹的五维调整台116的方位，使所述超小光纤镜头102的中轴线垂直正对所述目标反射镜114；

（3）移动所述带螺纹的五维调整台116的沿所述超小光纤镜头102轴线方向的螺纹，使所述计算机112输出的表示干涉强度的电压值达到最大I ₀，记录此时螺纹所示位置读数x ₀；

（4）移动螺纹微小位移Δx，在所述计算机112中记录此时对应的表示干涉强度的电压值I ₁；

（5）重复步骤（4）的操作，依次移动螺纹微小位移2Δx、3Δx、……、NΔx，在所述计算机112中记录对应的表示干涉强度的电压值I ₂、I ₃、……、I _N，至移动螺纹微小位移（N+1）Δx时，干涉强度的电压值I _N+1近似为0.

（6）根据上述步骤取得的表示干涉强度的电压值I ₀、I ₁、I ₂、I ₃、……、I _N和对应的位置x ₀、x ₀+Δx、x ₀+2Δx、x ₀+3Δx、……、x ₀+NΔx，分别作为纵坐标和横坐标，并令x ₀为0，进行曲线拟合得出输出干涉强度的电压与微位移的函数关系，即为所述集成化干涉型微位移光纤传感器的标定函数。

本实施例中，光纤干涉仪模块105采用Thorlabs公司生产的型号为INT-MSI-1300B的干涉仪模块；超小光纤镜头102根据发明专利（王驰，于瀛洁，方臣，唐智，齐博，张之江，“全光纤型超小探针的制作装置及方法”，中国发明专利，申请日：2011.1.14，授权专利号:ZL201110007712.2，授权公告日：2012.7.04），由发明人所在单位即上海大学和上海相和光纤科技有限公司联合开发制作完成的研制装置制作。

Claims (5)

1.一种集成化干涉型微位移光纤传感器，包括光纤准直器（101）、超小光纤镜头（102）、光纤干涉仪模块（105）、指示激光器（108）、宽带激光器（109）、数据采集卡（111）和计算机（112），其特征在于，所述光纤准直器（101）、超小光纤镜头（102）、指示激光器（108）、宽带激光器（109）分别通过光纤跳线连接光纤干涉仪模块（105），所述光纤干涉仪模块（105）通过数据线连接数据采集卡（111）和计算机（112）。

2.根据权利要求1所述的集成化干涉型微位移光纤传感器，其特征在于，所述光纤干涉仪模块（105）包括参考臂接口（103）、信号臂接口（104）、指示激光接口（106）、宽带激光接口（107）、平衡探测器输出接口（110）、宽带50/50熔融耦合器（201）、WDM耦合器（202）、环形器（203）和平衡探测器（204）；所述宽带50/50熔融耦合器（201）一端分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口（103）和所述信号臂接口（104）；所述WDM耦合器（202）一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器（201），所述WDM耦合器（202）另一端分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口（106）和所述平衡探测器（204）；所述环形器（203）一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器（201），所述环形器（203）另一端分别通过光纤跳线连接所述宽带激光接口（107）和所述平衡探测器（204）；所述光纤准直器（101）和所述超小光纤镜头（102）分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口（103）和所述信号臂接口（104）；所述指示激光器（108）和所述宽带激光器（109）分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口（106）和所述宽带激光接口（107）；所述数据采集卡（111）分别通过数据线连接所述平衡探测器输出接口（110）和所述计算机（112）；所述光纤准直器（101）输出端镀反射膜（113）。

3.根据权利要求1所述的集成化干涉型微位移光纤传感器，其特征在于，所述超小光纤镜头（102）由多模光纤镜头（301）、空芯光纤隔片（302）和单模光纤（303）依次熔接而成。

4.一种集成化干涉型微位移光纤传感器的标定装置，基于权利要求1所述的集成化干涉型微位移光纤传感器，包括目标反射镜（114）、固定平台（115）、带螺纹的五维调整台（116），其特征在于，所述目标反射镜（114）和所述带螺纹的五维调整台（116）分别通过夹具垂直固定于所述固定平台（115）上；所述超小光纤镜头（102）通过磁吸夹具固定于所述带螺纹的五维调整台（116）上；所述超小光纤镜头（102）的输出端正对所述目标反射镜（114）。

5.一种集成化干涉型微位移光纤传感器的标定方法，采用权利要求1和权利要求4所述的集成化干涉型微位移光纤传感器及其标定装置，其特征在于，具体实施步骤如下：

（1）选取分别与所述光纤准直器（101）和所述超小光纤镜头（102）连接的光纤跳线，使光纤跳线和所述光纤准直器（101）连接的总长度，与光纤跳线和所述超小光纤镜头（102）连接的总长度近似相等；

（2）调整所述带螺纹的五维调整台（116）的方位，使所述超小光纤镜头（102）的中轴线垂直正对所述目标反射镜（114）；

（3）移动所述带螺纹的五维调整台（116）的沿所述超小光纤镜头（102）轴线方向的螺纹，使所述计算机（112）输出的表示干涉强度的电压值达到最大I ₀，记录此时螺纹所示位置读数x ₀；

（4）移动螺纹微小位移Δx，在所述计算机（112）中记录此时对应的表示干涉强度的电压值I ₁；

（5）重复步骤（4）的操作，依次移动螺纹微小位移2Δx、3Δx、……、NΔx，在所述计算机（112）中记录对应的表示干涉强度的电压值I ₂、I ₃、……、I _N，至移动螺纹微小位移（N+1）Δx时，干涉强度的电压值I _N+1近似为0；

（6）根据上述步骤取得的表示干涉强度的电压值I ₀、I ₁、I ₂、I ₃、……、I _N和对应的位置x ₀、x ₀+Δx、x ₀+2Δx、x ₀+3Δx、……、x ₀+NΔx，分别作为纵坐标和横坐标，并令x ₀为0，进行曲线拟合得出输出干涉强度的电压与微位移的函数关系，即为所述集成化干涉型微位移光纤传感器的标定函数。