CN108168467A - 一种fp干涉测量角量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FP干涉测量角量传感器，包括转盘，所述转盘上的四周均贯穿有圆形磁栅尺，所述转盘的底部且与圆形磁栅尺相对应的位置设置有传感探头，所述传感探头的底部通过连接软管固定连接有第一圆筒外壳，并且第一圆筒外壳的底部连通有第二圆筒外壳，涉及光纤传感技术领域。该FP干涉测量角量传感器，极大的提高了线性位移的范围以及测量的角度，不仅研究了光纤光栅通过等强度梁、杠杆原理测量线位移以及温补问题，还可以更好的研究连续大范围测量问题与线位移与角量测量的转换，为以后的FP测量角量提供了更多更全面的文献参考，促进光纤科学研究的发展，为FP腔作为测量角量传感器开辟了一条新的道路。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种FP干涉测量角量传感器。
背景技术
随着光纤微纳传感制作工艺的不断提高和成熟，世界各国对光纤微纳传感的应用研究迅速开展起来。伴随着光纤微纳传感的优良特性的逐步展现，其在传感领域得到了广泛研究和应用。光纤微纳传感器作为新型光纤传感器，除具有重量轻，抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等光纤传感器的特点外，还具有许多独特的优点。
干涉型光纤传感器通过探测干涉条纹移动或干涉光谱漂移来实现对外界介质特性改变的测量。当外界环境发生变化时，光纤内相干光光程差随之改变，从而引起干涉信号的变化。干涉型传感器测量灵敏度高，具有很快的响应速度，被广泛应用于温度、折射率、应变、曲率和湿度等参数的测量。迄今为止，测量温度和折射率的方法有很多，由于干涉型传感器自身的优点以及光纤微结构的发展，基于光纤端面微结构的光纤干涉型传感器受到广泛青睐。但是角量一般都采用光纤Sagnac效应进行测量。
非接触磁耦合光纤光栅位移传感器只能在小范围线性位移进行测量，机械式旋转角度传感器测量范围为–21°—+21°，不少学者研究了光纤光栅通过等强度梁、杠杆原理测量线位移以及温补问题，但是没有研究连续大范围测量问题与线位移与角量测量的转换。中国台湾逢甲大学研究了角度传感器可以测量角度大小，且测量角度范围不受限制，但是此种传感器没有研究角速度测量。而研究FP测量角量的文献很少，本设计为FP腔作为测量角量传感器开辟了一条新的道路。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种FP干涉测量角量传感器，解决了没有研究连续大范围测量问题与线位移与角量测量的转换，研究FP测量角量的文献很少的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种FP干涉测量角量传感器，包括转盘，所述转盘上的四周均贯穿有圆形磁栅尺，所述转盘的底部且与圆形磁栅尺相对应的位置设置有传感探头，所述传感探头的底部通过连接软管固定连接有第一圆筒外壳，并且第一圆筒外壳的底部连通有第二圆筒外壳，所述第一圆筒外壳内部的顶端活动连接有环氧树脂块，并且环氧树脂块的底部固定连接有第一APC，所述第一APC的表面且位于环氧树脂块与挡板之间固定连接有弹簧，所述第一APC的表面且位于第一圆筒外壳的内部固定连接有挡板，所述第一APC的表面且位于第二圆筒外壳的内部连通有 FP腔，所述第一APC与第二圆筒外壳底部的交界处连通有锥形管，所述第一 APC远离环氧树脂块的一端活动连接有第二APC，并且第二APC的一端设置有金属护套管，所述金属护套管的表面固定连接有塑料外壳，所述塑料外壳的内部且位于金属护套管的一端固定连接有永磁体。
优选的，所述第一APC远离环氧树脂块的一端从上至下一次贯穿第一圆筒外壳和第二圆筒外壳且延伸至第二圆筒外壳的外部。
本发明还公开了一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，具体包括以下步骤：
S1、在直流电机右端用电子测速仪记录直流电机的转角与转速；
S2、设置的八个永磁体组成圆形磁栅尺，圆形磁栅尺固定在直流电机的左端，直流电机的磁头对准圆形磁栅尺其中一个磁栅位置；
S3、ASE光源发出的宽谱光经过光纤环形器入射到FP腔；
S4、直流电机的传感探头和FP腔受与圆形磁栅尺磁栅作用力产生形变，光谱分析仪对反射谱通过解调仪进行寻峰处理，并通过上位机软件将中心波长值解调为FP腔的波谷变化。
优选的，在S1中，所述直流电机通过电源模块提供电能，并且直流电机由电机控制器进行速度的控制调节。
优选的，在S2中，所述圆形磁栅尺上设置的转盘以5.625°的增量从0°旋转到360°，进行角度实验的静态校准，光谱分析仪记录0°、15°、30°和45°旋转角的FP腔的反射光谱，并拟合FP腔波谷的变化。
优选的，所述光纤环形器、光谱分析仪和FP腔的端口均与50:50耦合比的1×2耦合器的端口连接。
优选的，所述P传感机理是基于波动光学中的多光束干涉，在光纤F-P 传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：
式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且
其中，n为腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角；
当反射率R很小时，(1)式可简化为
优选的，所述信号传递模型将FP腔垂直固定在录磁磁头中心，塑料外壳限制横向自由度，录磁磁头只有轴向应力的作用，磁体吸引物体或排斥物体所施的力即是磁力，而磁力的大小与磁体本身有着密不可分的关系；磁头与磁栅尺作用力可以描述为：
式中，F0为磁头与磁栅尺之间的最大作用力幅值，其值由永磁体本身性质和磁头与磁栅尺之间的距离决定；λm为磁栅周期；为磁头在磁性标尺上的位移量，可知双磁头之间相位相差90°：
结合式(3)、(4)、(5)及磁头受力平衡可以推出光纤F-P传感器干涉波谷波长变化量ΔλB与磁头在磁性标尺上的位移量x之间的关系为：
式中，角量与F-P传感器干涉波谷ΔλB是未知量；μ的值为0或1(为0 代表正弦，为1代表余弦)；m是磁头的质量；g是引力常数：
由于位移量x与角量θ关系为：
式中，R为磁栅尺半径：
则F-P传感器干涉波谷移位量ΔλB与磁头在磁性标尺上角量θ关系为：
ΔλB＝υ*(F0 sinθ-mg) (7)
其中μ＝0或1。
优选的，所述根据图4和图5，拟合曲线得到一个特定的角度传递数学模型，得到FP腔波长变化与角度之间的关系如下：
(三)有益效果
本发明提供了一种FP干涉测量角量传感器。具备以下有益效果：该FP 干涉测量角量传感器，通过基于磁耦合FP干涉角量传感器的设计可以实现对被测物的旋转角度与角速度的非接触测量，主要是利用FP干涉传感机理的固有特性以及磁栅与磁头的周期性作用力，建立了FP腔磁头与圆磁栅尺的数学传递模型，并设计相关实验装置，在实验的基础上进行修正理论模型，改变了现有的光纤传感器测量角量一般都采用光纤Sagnac效应进行的情况，解决了非接触磁耦合光纤光栅位移传感器只能在小范围线性位移进行测量，极大的提高了线性位移的范围以及测量的角度，不仅研究了光纤光栅通过等强度梁、杠杆原理测量线位移以及温补问题，还可以更好的研究连续大范围测量问题与线位移与角量测量的转换，为以后的FP测量角量提供了更多更全面的文献参考，促进光纤科学研究的发展，为FP腔作为测量角量传感器开辟了一条新的道路。
附图说明
图1为本发明传感器的三维装配图；
图2为本发明圆形磁栅尺沿着周长方向展开结构图；
图3为本发明测量旋转传感器的实验流程装置图；
图4为本发明FP腔在0°、15°、30°和45°的旋转角处的反射光谱图；
图5为本发明FP腔波长对角位移的曲线图；
图中，1转盘、2圆形磁栅尺、3传感探头、4第一圆筒外壳、5第二圆筒外壳、6环氧树脂块、7第一APC、8挡板、9第二APC、10金属护套管、11 塑料外壳、12永磁体、13弹簧、14锥形管、15直流电机、16电子测速仪、 17ASE、18光纤环形器、19FP腔、20光谱分析仪、21解调仪、22电源模块、 23电机控制器、24耦合器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种FP干涉测量角量传感器，如图1-5所示，包括转盘1，转盘1上的四周均贯穿有圆形磁栅尺2，圆形磁栅尺2的数量至少为八个，并且圆形磁栅尺2以等距的方式排列，圆形磁性栅尺沿着周长方向展开如图2所示，磁尺上相等节距用λ表示周期变化的磁信号设为基准尺，磁场强度变化按照正弦函数变化，通过录磁磁头检测磁场力变化，转盘1的底部且与圆形磁栅尺2相对应的位置设置有传感探头3，传感探头3主要负责将磁力信号转换成角参量信号，中间挡板8结构限制传感探头3的自由度，仅在垂直向上的方向移动，处于预拉伸状态的FP腔19底部由环氧树脂块6固定，传感探头3的底部通过连接软管固定连接有第一圆筒外壳4，并且第一圆筒外壳4的底部连通有第二圆筒外壳5，第一圆筒外壳4内部的顶端活动连接有环氧树脂块6，并且环氧树脂块6的底部固定连接有第一APC7，第一APC7的表面且位于环氧树脂块6与挡板8之间固定连接有弹簧13，第一APC7远离环氧树脂块6的一端从上至下一次贯穿第一圆筒外壳4和第二圆筒外壳5且延伸至第二圆筒外壳5的外部，第一APC7与第二圆筒外壳5底部的交界处连通有锥形管14，第一APC7的表面且位于第一圆筒外壳4的内部固定连接有挡板8，第一APC7的表面且位于第二圆筒外壳5的内部连通有FP腔19，第一APC7远离环氧树脂块6的一端活动连接有第二APC9，并且第二APC9的一端设置有金属护套管10，金属护套管10的表面固定连接有塑料外壳11，塑料外壳11的内部且位于金属护套管10的一端固定连接有永磁体12。
本发明还公开了一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、在直流电机15右端用电子测速仪16记录直流电机15的转角与转速；
S2、设置的八个永磁体12组成圆形磁栅尺2，圆形磁栅尺2固定在直流电机15的左端，直流电机15的磁头对准圆形磁栅尺2其中一个磁栅位置；
S3、ASE17光源发出的宽谱光经过光纤环形器18入射到FP腔19；
S4、直流电机15的传感探头3和FP腔19受与圆形磁栅尺2磁栅作用力产生形变，光谱分析仪20对反射谱通过解调仪21进行寻峰处理，并通过上位机软件将中心波长值解调为FP腔19的波谷变化。
本发明中，在S1中，直流电机15通过电源模块22提供电能，并且直流电机15由电机控制器23进行速度的控制调节。
本发明中，在S2中，圆形磁栅尺2上设置的转盘以5.625°的增量从0°旋转到360°，进行角度实验的静态校准，光谱分析仪20记录0°、15°、 30°和45°旋转角的FP腔19的反射光谱，并拟合FP腔19波谷的变化。
本发明中，光纤环形器18、光谱分析仪20和FP腔19的端口均与50:50 耦合比的1×2耦合器24的端口连接。
本发明中，FP传感机理是基于波动光学中的多光束干涉。在光纤F-P传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：
式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且
其中，n为腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角。
当反射率R很小时，(1)式可简化为
式(1)，式(2)和式(3)表明：当外界参量作用于微腔时，可以通过反射光强变化，对反射光干涉条纹波长的漂移进行分析,解调出相干光的相位移，推出外界参量变化，实现传感测量的目的。
本发明中，信号传递模型将FP腔垂直固定在录磁磁头中心，塑料外壳限制横向自由度，录磁磁头只有轴向应力的作用。磁体吸引物体或排斥物体所施的力即是磁力，而磁力的大小与磁体本身有着密不可分的关系。磁头与磁栅尺作用力可以描述为:
式中，F0为磁头与磁栅尺之间的最大作用力幅值，其值由永磁体本身性质和磁头与磁栅尺之间的距离决定；λm为磁栅周期；为磁头在磁性标尺上的位移量。可知双磁头之间相位相差90°。
结合式(3)、(4)、(5)及磁头受力平衡可以推出光纤F-P传感器干涉波谷波长变化量ΔλB与磁头在磁性标尺上的位移量x之间的关系为：
式中，角量与F-P传感器干涉波谷ΔλB是未知量；μ的值为0或1(为0 代表正弦，为1代表余弦)；m是磁头的质量；g是引力常数。
由于位移量x与角量θ关系为：
式中，R为磁栅尺半径。
则F-P传感器干涉波谷移位量ΔλB与磁头在磁性标尺上角量θ关系为：
ΔλB＝υ*(F0 sinθ-mg) (7)
其中μ＝0或1。
由上式可知FP腔干涉波谷变化量与角量之间有确定的关系，增加磁头- 磁栅尺之间的作用力最大幅值、减小磁头质量可以提高测量精度，磁头的质量直接影响了FP腔测量角量的灵敏度，小质量的磁头减弱了磁头-磁栅尺之间的作用力，所以需要选择合适的磁头来提高测量灵敏度。
本发明中，根据图4和图5，拟合曲线得到一个特定的角度传递数学模型，得到FP腔波长变化与角度之间的关系如下：
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种FP干涉测量角量传感器，包括转盘(1)，其特征在于：所述转盘(1)上的四周均贯穿有圆形磁栅尺(2)，所述转盘(1)的底部且与圆形磁栅尺(2)相对应的位置设置有传感探头(3)，所述传感探头(3)的底部通过连接软管固定连接有第一圆筒外壳(4)，并且第一圆筒外壳(4)的底部连通有第二圆筒外壳(5)，所述第一圆筒外壳(4)内部的顶端活动连接有环氧树脂块(6)，并且环氧树脂块(6)的底部固定连接有第一APC(7)，所述第一APC(7)的表面且位于环氧树脂块(6)与挡板(8)之间固定连接有弹簧(13)，所述第一APC(7)的表面且位于第一圆筒外壳(4)的内部固定连接有挡板(8)，所述第一APC(7)的表面且位于第二圆筒外壳(5)的内部连通有FP腔(19)，所述第一APC(7)与第二圆筒外壳(5)底部的交界处连通有锥形管(14)，所述第一APC(7)远离环氧树脂块(6)的一端活动连接有第二APC(9)，并且第二APC(9)的一端设置有金属护套管(10)，所述金属护套管(10)的表面固定连接有塑料外壳(11)，所述塑料外壳(11)的内部且位于金属护套管(10)的一端固定连接有永磁体(12)。
2.根据权利要求1所述的一种FP干涉测量角量传感器，其特征在于：所述第一APC(7)远离环氧树脂块(6)的一端从上至下一次贯穿第一圆筒外壳(4)和第二圆筒外壳(5)且延伸至第二圆筒外壳(5)的外部。
3.一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、在直流电机(15)右端用电子测速仪(16)记录直流电机(15)的转角与转速；
S2、设置的八个永磁体(12)组成圆形磁栅尺(2)，圆形磁栅尺(2)固定在直流电机(15)的左端，直流电机(15)的磁头对准圆形磁栅尺(2)其中一个磁栅位置；
S3、ASE(17)光源发出的宽谱光经过光纤环形器(18)入射到FP腔(19)；
S4、直流电机(15)的传感探头(3)和FP腔(19)受与圆形磁栅尺(2)磁栅作用力产生形变，光谱分析仪(20)对反射谱通过解调仪(21)进行寻峰处理，并通过上位机软件将中心波长值解调为FP腔(19)的波谷变化。
4.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：在S1中，所述直流电机(15)通过电源模块(22)提供电能，并且直流电机(15)由电机控制器(23)进行速度的控制调节。
5.根据权利要求3述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：在S2中，所述圆形磁栅尺(2)上设置的转盘以5.625°的增量从0°旋转到360°，进行角度实验的静态校准，光谱分析仪(20)记录0°、15°、30°和45°旋转角的FP腔(19)的反射光谱，并拟合FP腔(19)波谷的变化。
6.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：所述光纤环形器(18)、光谱分析仪(20)和FP腔(19)的端口均与50:50耦合比的1×2耦合器(24)的端口连接。
7.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：所述P传感机理是基于波动光学中的多光束干涉，在光纤F-P传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：
式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且
其中，n为腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角；
当反射率R很小时，(1)式可简化为
8.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：所述信号传递模型将FP腔垂直固定在录磁磁头中心，塑料外壳限制横向自由度，录磁磁头只有轴向应力的作用，磁体吸引物体或排斥物体所施的力即是磁力，而磁力的大小与磁体本身有着密不可分的关系；磁头与磁栅尺作用力可以描述为：
式中，F0为磁头与磁栅尺之间的最大作用力幅值，其值由永磁体本身性质和磁头与磁栅尺之间的距离决定；λm为磁栅周期；为磁头在磁性标尺上的位移量，可知双磁头之间相位相差90°：
结合式(3)、(4)、(5)及磁头受力平衡可以推出光纤F-P传感器干涉波谷波长变化量ΔλB与磁头在磁性标尺上的位移量x之间的关系为：
式中，角量与F-P传感器干涉波谷ΔλB是未知量；μ的值为0或1(为0代表正弦，为1代表余弦)；m是磁头的质量；g是引力常数：
由于位移量x与角量θ关系为：
式中，R为磁栅尺半径：
则F-P传感器干涉波谷移位量ΔλB与磁头在磁性标尺上角量θ关系为：
ΔλB＝υ*(F0sinθ-mg) (7)
其中μ＝0或1。
9.根据权利要求3所述的一种FP干涉测量角量传感器的实验测试流程，其特征在于：所述根据图4和图5，拟合曲线得到一个特定的角度传递数学模型，得到FP腔波长变化与角度之间的关系如下：
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