CN108332664B - 一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法 - Google Patents

一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法，属于微尺寸测量技术领域；本发明是为了解决现有光纤探针所面临的结构复杂，不具备轴向探测能力或轴向探测能力受限的问题。通过光纤熔融挤压或拉伸方式改变纤芯结构，令激光从光纤包层耦合进入纤芯内部进而从端面出射，通过弹性膜片实现对光纤探针的悬挂及导向，结合共焦探测原理获得高分辨力的三维光纤探针系统。本发明的特点是：探针重量轻且结构简单、探测光强稳定且易于探测、分辨力高且具有轴向探测能力。

Description

一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置、传感方法及探 针制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法，具体涉及一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法，属于微尺寸技术测量领域。
背景技术
目前三坐标测量机和探针组合使用实现微尺寸的接触式测量，探针的性能参数制约了测量的范围和精度。光纤探针由于具有直径微小、弹性模量大、测量力小等诸多优势，因此被广泛的使用在微尺寸测量领域。
(1)申请号200510072254.5所描述的“双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器”，其提出了一种新结构传感器，利用两根光纤烧制耦合球的方式实现光的反向传输，并对出射光进行探测。
相似专利申请有：带有端面微结构的双光纤共球耦合微测量力瞄准传感器(申请号：201410118922.2)、基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器(申请号：201410118924.1)、基于双入射光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器(申请号：201410118968.4)。
(2)申请号200910071623.7所描述的“基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法与装置”，利用光纤作为柱透镜对点光源准直成像从而实现探测。
相似专利申请有：基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置(申请号：200910071624.1)、基于正交二维微焦准直的微孔测量装置与方法(申请号：201110438936.9)、正交光路二维微焦准直与三维坐标传感器(申请号：201110456022.5)。
(3)申请号201110456011.7所描述的“基于光纤布拉格光栅的微孔尺寸测量装置及方法”，利用了光纤布拉格光栅受外力导致栅距变化进而致其反射光中心波长改变的性质进行探测。
相似专利申请有：基于光纤布拉格光栅的接触式温度无感三维探测传感器(申请号：201110456051.1)、基于四芯光纤光栅的三维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030736.3)、基于三芯光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030737.8)、基于双芯光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030738.2)、基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030739.7)。
(4)申请号201410118970.1所描述的“基于偏振态检测的双入射保偏平光纤耦合球微尺度传感器”，利用光纤烧制的耦合球实现光反向传输，通过检测出射光的偏振态来实现探测。
相似专利申请有：基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器(申请号：201410118966.5)。
(5)申请号201510381711.2所描述的“基于共扼焦点跟踪探测技术的探针传感装置”，在该专利中，提出了一种能实现三维探测的光纤探针传感装置。
(6)申请号201510381723.5所描述的“基于光纤出射光探测的组合悬臂梁探针传感方法及装置”，其提出了一种新结构传感器，所述探针由光纤悬臂梁与探针垂直胶接而成。
目前，光纤探针面临着光耦合效率低，结构复杂，信号处理复杂，无三维探测能力或三维探测能力弱的瓶颈。因此，探究一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置及传感方法具有重要意义。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明的目的是提供一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法，解决现有光纤探针面临着光耦合效率低，结构复杂，信号处理复杂，不具备轴向探测能力或轴向探测能力受限的问题，它具有重量轻且结构简单、更高的频率响应、探测光强稳定且易于探测、更高的分辨力以及微型探针所不具备的轴向测量能力。
方案一：本发明提供了一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置，包括弹性膜片、固定装置、激光器、光纤侧面激光耦合探针、准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器；
所述光纤侧面激光耦合探针通过弹性膜片悬挂在固定装置上，激光器提供激光发出的光束照射在光纤侧面激光耦合探针的外凸形状改变区域，在光纤侧面激光耦合探针的出射光路上依次配置准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器。
进一步地：所述光纤侧面激光耦合探针包括单模光纤，单模光纤的中部部分区域为外凸形状改变区域；单模光纤一端为切平面，作为探针的出射端面；单模光纤另一端熔融有球状测头。
进一步地：所述激光器的光束与光纤侧面激光耦合探针之间的入射角度与中部部分区域的外凸形状改变有关。
方案二：本发明提供了一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感方法，其依托方案一所述光纤探针传感装置实现，具体为：
激光器发出的光束照射在光纤侧面激光耦合探针的外凸形状改变区域，光束从光纤侧面激光耦合探针的包层耦合进入光纤侧面激光耦合探针内部进而从出射端面出射，通过光学系统将出射光束聚焦形成与之共轭的光斑，所述光学系统由准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器构成；弹性膜片与光纤侧面激光耦合探针接触的位置构成探针摆动支点，由于弹性膜片为光纤侧面激光耦合探针提供摆动支点，当光纤侧面激光耦合探针的球状测头绕支点发生偏转时，光纤侧面激光耦合探针的出射端面的出射光束发生同步偏转；当光纤侧面激光耦合探针的球状测头发生轴向移动时，光纤侧面激光耦合探针出射端面的出射光束发生相同的轴向位移，利用CCD探测器探测光斑中心位置的偏移，从而获得球状测头的横向偏移量，通过CCD探测器上有限像素的灰度值之和，从而获得球状测头的轴向偏移量。
方案三：本发明提供了一种光纤侧面激光耦合探针的制备方法，其所述的探针即为方案一和方案二中所述的光纤侧面激光耦合探针，具体制备方法为：
取一段已剥除涂覆层的单模光纤，将单模光纤中部置于光纤熔接机的两个电极之间，将单模光纤两端分别固定在一维电动位移台和三维手动位移台上；通过三维手动位移台的调节使一维电动位移台的移动方向沿着单模光纤轴线移动，在光纤熔接机的电极放电的同时移动一维电动位移台实现对光纤熔融区域的挤压或拉伸，从而改变光纤熔融区域的纤芯形状，形成外凸形状改变区域；使用光纤切割刀对单模光纤的一个端面进行切平处理，将其作为探针的出射端面；通过熔融光纤末端得到探针的球状测头，探针制备完成。
有益效果：
本发明的一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置，它具有更高的频率响应、更高的分辨力以及微型探针所不具备的轴向测量能力。本发明的传感方法，它利用CCD探测光斑中心位置的偏移，从而获得球状测头的横向偏移量，通过对CCD上软针孔范围内的有限像素的灰度值求和作为光斑光强，从而获得球状测头的轴向偏移量，因此传感原理简单，有很高的横向分辨力，以及一般光纤探针所不具备的轴向测量能力。本发明的探针制备方法，它具有制做工艺简单的优点。
附图说明
图1为本发明一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置的结构示意图；
图2为本发明光束从侧面耦合进入探针的光路示意图；
图3为本发明光纤侧面激光耦合探针的侧面加工示意图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：如图1所示，本实施例的一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置，包括弹性膜片1、固定装置2、激光器3、光纤侧面激光耦合探针4、准直透镜5、滤波片6、管镜7和CCD探测器8；
所述光纤侧面激光耦合探针4通过弹性膜片1悬挂在固定装置2上，激光器3提供激光发出的光束照射在光纤侧面激光耦合探针4的外凸形状改变区域，在光纤侧面激光耦合探针4的出射光路上依次配置准直透镜5、滤波片6、管镜7和CCD探测器8。
更为具体地：所述光纤侧面激光耦合探针4包括单模光纤，单模光纤的中部部分区域为外凸形状改变区域；单模光纤一端为切平面，作为探针的出射端面；单模光纤另一端熔融有球状测头。
更为具体地：所述激光器3的光束与光纤侧面激光耦合探针4之间的入射角度与中部部分区域的外凸形状改变有关。
工作原理如下：激光从光纤侧面激光耦合探针包层耦合进入纤芯内部进而从端面出射，通过光学系统将端面出射光束聚焦形成与出射光源共轭的光斑，利用CCD探测器探测光斑中心的位置，从而获得探针测头的横向偏移量，通过探测CCD上有限像素的灰度值之和，从而获得探针测头的轴向偏移量。
实施例2：如图1和图2所示，本实施例的一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感方法，其依托实施例1所述光纤探针传感装置实现，具体为：
激光器3发出的光束照射在光纤侧面激光耦合探针4的外凸形状改变区域，光束从光纤侧面激光耦合探针4的包层耦合进入光纤侧面激光耦合探针4内部进而从出射端面出射，通过光学系统将出射光束聚焦形成与之共轭的光斑，所述光学系统由准直透镜5、滤波片6、管镜7和CCD探测器8构成；弹性膜片1与光纤侧面激光耦合探针4接触的位置构成探针摆动支点，由于弹性膜片为光纤侧面激光耦合探针4提供摆动支点，当光纤侧面激光耦合探针4的球状测头绕支点发生偏转时，光纤侧面激光耦合探针4的出射端面的出射光束发生同步偏转；当光纤侧面激光耦合探针4的球状测头发生轴向移动时，光纤侧面激光耦合探针4出射端面的出射光束发生相同的轴向位移，利用CCD探测器探测光斑中心位置的偏移，从而获得球状测头的横向偏移量，通过CCD探测器上有限像素的灰度值之和，从而获得球状测头的轴向偏移量。
实施例3：如图3所示，本实施例的一种光纤侧面激光耦合探针的制备方法，其所述的探针即为实施例1和实施例2中所述的光纤侧面激光耦合探针4，具体制备方法为：
取一段已剥除涂覆层的单模光纤12，将单模光纤中部置于光纤熔接机的两个电极11之间，将单模光纤两端分别固定在一维电动位移台9和三维手动位移台13上；通过三维手动位移台13的调节使一维电动位移台9的移动方向沿着单模光纤轴线移动，在光纤熔接机的电极11放电的同时移动一维电动位移台9实现对光纤熔融区域的挤压或拉伸；从而改变光纤熔融区域的纤芯形状，形成外凸形状改变区域；使用光纤切割刀对单模光纤的一个端面进行切平处理，将其作为探针的出射端面；通过熔融光纤末端得到探针的球状测头，探针制备完成。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置，其特征在于，包括弹性膜片(1)、固定装置(2)、激光器(3)、光纤侧面激光耦合探针(4)、准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)；
所述光纤侧面激光耦合探针(4)通过弹性膜片(1)悬挂在固定装置(2)上，激光器(3)提供激光发出的光束照射在光纤侧面激光耦合探针(4)的外凸形状改变区域，光束从光纤侧面激光耦合探针(4)的包层耦合进入光纤侧面激光耦合探针(4)内部进而从出射端面出射，在光纤侧面激光耦合探针(4)的出射光路上依次配置准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)；
所述光纤侧面激光耦合探针(4)包括单模光纤，单模光纤的中部部分区域为外凸形状改变区域；单模光纤一端为切平面，作为探针的出射端面；单模光纤另一端熔融有球状测头。
2.根据权利要求1所述的一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置，其特征在于，所述激光器(3)的光束与光纤侧面激光耦合探针(4)之间的入射角度与中部部分区域的外凸形状改变有关。
3.一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感方法，其依托权利要求1-2任一所述光纤探针传感装置实现，其特征在于，具体为：
激光器(3)发出的光束照射在光纤侧面激光耦合探针(4)的外凸形状改变区域，光束从光纤侧面激光耦合探针(4)的包层耦合进入光纤侧面激光耦合探针(4)内部进而从出射端面出射，通过光学系统将出射光束聚焦形成与之共轭的光斑，所述光学系统由准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)构成；弹性膜片(1)与光纤侧面激光耦合探针(4)接触的位置构成探针摆动支点，由于弹性膜片为光纤侧面激光耦合探针(4)提供摆动支点，当光纤侧面激光耦合探针(4)的球状测头绕支点发生偏转时，光纤侧面激光耦合探针(4)的出射端面的出射光束发生同步偏转；当光纤侧面激光耦合探针(4)的球状测头发生轴向移动时，光纤侧面激光耦合探针(4)出射端面的出射光束发生相同的轴向位移，利用CCD探测器探测光斑中心位置的偏移，从而获得球状测头的横向偏移量，通过CCD探测器上有限像素的灰度值之和，从而获得球状测头的轴向偏移量。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5389779A (en) * 1993-07-29 1995-02-14 At&T Corp. Method and apparatus for near-field, scanning, optical microscopy by reflective, optical feedback
JP2004309428A (ja) * 2003-04-10 2004-11-04 Nippon Sheet Glass Co Ltd マイクロ化学システムのレンズ焦点位置測定方法及び装置、並びにマイクロ化学システムのレンズ位置決め方法及びマイクロ化学システム
CN102279007A (zh) * 2011-06-29 2011-12-14 北京工业大学 光纤耦合波导光栅传感器及其制备方法
CN105021128B (zh) * 2015-07-02 2017-09-26 哈尔滨工业大学 基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法及装置
CN104990499B (zh) * 2015-07-02 2017-07-04 哈尔滨工业大学 基于共轭焦点跟踪探测技术的探针传感装置

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