CN109029361B - 基于干涉原理的光纤水平仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干涉原理的光纤水平仪，包括：光源、耦合器、连通器以及光探测器，连通器由不在一个平面内的N个管组成且相邻两个管的上部和下部分别连通，每个管内装有液体且管内液面呈弧形；耦合器第一端口通过尾纤一与光源相连，耦合器第二端口通过尾纤二与光探测器相连，耦合器第三端口通过尾纤三接入管一，耦合器的第四端口通过尾纤四接入管二，…，耦合器的第N+2端口通过尾纤N+2接入管N，N≥3；尾纤三、尾纤四、…、尾纤N+2端部分别插入管一、管二、…、管N中且与管内液面上表面的距离分别为h1、h2、…、hN。本发明的有益效果：降低了测量误差，提高了灵敏度，输出数据易于量化、长时间连续测量并记录数据。

Description

基于干涉原理的光纤水平仪

技术领域

本发明涉及机械行业和仪表制造技术领域，具体而言，涉及一种基于干涉原理的光纤水平仪。

背景技术

水平仪是一种测量小角度的常用量具，应用在建筑、装修等领域来确定水平线、水平面，常用的水平仪有板尺、塑料软管连通器、普通水准仪、激光水平仪等。

目前，现有的水平仪已经很难满足生产和发展的需求，尤其是气泡水平仪和电子水平仪不能满足精度要求，主要表现在调节能力比较弱，对数据的处理灵敏度不高。所以研究分辨率更高、性能更好的新式水平仪具有重要的现实意义。随着光学领域的发展，也出现了激光水平仪。激光水平仪由于具有测量准确、迅速等优点被大型建筑及装修工程广泛应用，但其结构复杂、价格昂贵。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种测量更加准确、灵敏度更高的基于干涉原理的光纤水平仪。

本发明提供了一种基于干涉原理的光纤水平仪，包括：光源、耦合器、连通器以及光探测器，所述连通器由不在一个平面内的N个管组成且相邻两个管的上部和下部均连通，每个管内装有液体且管内液面呈弧形；

所述耦合器的第一端口通过尾纤一与所述光源相连，所述耦合器的第二端口通过尾纤二与所述光探测器相连，所述耦合器的第三端口通过尾纤三接入管一中，所述耦合器的第四端口通过尾纤四接入管二中，……，所述耦合器的第N+2端口通过尾纤N+2接入管N中；其中，N≥3且为整数；

所述尾纤三、所述尾纤四、…、所述尾纤N+2的端部分别插入管一、管二、…、管N中且与管内液面上表面的距离分别为h1、h2、……、hN，上述距离均为正数，所述管一、所述管二、…、所述管N的顶部均密封。

作为本发明进一步的改进，所述连通器中，相邻两个管的上部和下部分别通过连通管连通；或，所述N个管的上部和下部分别通过盒体连通。

作为本发明进一步的改进，所述管一、所述管二、…、所述管N的截面形状完全相同或完全不相同或不完全相同。

作为本发明进一步的改进，所述管一、所述管二、…、所述管N的截面形状分别为圆形、三角形、方形、椭圆形和五边形中的一种。

作为本发明进一步的改进，所述管一、所述管二、…、所述管N内部的截面尺寸均小于1mm。

作为本发明进一步的改进，其特征在于，N的取值范围为3～20。

作为本发明进一步的改进，所述尾纤三、所述尾纤四、…、所述尾纤N+2 分别插入所述管一、所述管二、…、所述管N的中轴线处。

作为本发明进一步的改进，当管内液面为上凸弧形时，所述尾纤三、所述尾纤四、…、所述尾纤N+2的端部与所述管一、所述管二、…、所述管N 的管内液面最高点的距离分别为h1、h2、……、hN；

当管内液面为下凹弧形时，所述尾纤三、所述尾纤四、…、所述尾纤N+2 的端部与所述管一、所述管二、…、所述管N的管内液面最低点的距离分别为h1、h2、……、hN；

上述距离均为正数。

作为本发明进一步的改进，所述液体为水银。

本发明的有益效果为：

通过光程差实现倾斜角度和倾斜方向的测量，降低了测量误差，提高了灵敏度，输出数据易于量化、长时间连续测量并记录数据。

附图说明

图1为本发明第一实施例所述的一种基于干涉原理的光纤水平仪的正视图；

图2为图1中三管连通器的剖视图；

图3为本发明第二实施例所述的一种基于干涉原理的光纤水平仪的正视图；

图4为图3中四管连通器的剖视图；

图5为本发明第三实施例所述的一种基于干涉原理的光纤水平仪的正视图；

图6为图5中五管连通器的剖视图；

图7为本发明第四实施例所述的一种基于干涉原理的光纤水平仪的正视图；

图8为图7中二十管连通器的剖视图；

图中，

1、光源；2、耦合器；3、连通管；4、液体；5、光探测器；21、尾纤一； 22、尾纤二；23、尾纤三；24、尾纤四；25、尾纤五；26、尾纤六；27、尾纤七；28、尾纤八；29、尾纤九；210、尾纤十；211、尾纤十一；212、尾纤十二；31、管一；32、管二；33、管三；34、管四；35、管五；36、管六；37、管七；38、管八；39、管九；310、管十；311、管十一；312、管十二； 313、管十三；314、管十四；315、管十五；316、管十六；317、管十七；318、管十八；319、管十九；320、管二十。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1所示，本发明第一实施例的一种基于干涉原理的光纤水平仪，包括：光源1、耦合器2、连通器以及光探测器5，连通器由不在一个平面内的3个管组成，即N＝3，每个管内均装有液体4且管内液面呈弧形。管一31和管二32、管二32和管三33、管三33和管一31的上部和下部分别通过连通管3连通，对应位置的上、下连通管平行设置，且所有上连通管处于一水平面，所有下连通管处于一水平面。管一31、管二32和管三33由于上部和下部的连通使得内部压强一致。当然，相邻管之间的连通也并非一定通过连通管3连通，例如，还可以将所有管的上部通过一个盒体连通，所有管的下部通过一个盒体连通，因此，只要能实现所有管上部和下部连通的装置即可。

耦合器2的第一端口通过尾纤一21与光源1相连，耦合器2的第二端口通过尾纤二22与光探测器5相连，耦合器2的第三端口通过尾纤三23接入管一31中，耦合器2的第四端口通过尾纤四24接入管二32中，耦合器2的第五端口通过尾纤五25接入管三33中。

尾纤三23、尾纤四24和尾纤五25的端部分别插入管一31、管二32和管三33中，且管一31、管二32和管三33的顶部均密封。

其中，如图2所示，管一31、管二32和管三33均选择圆柱形管，即截面形状为三个半径相等的圆形，且内部的截面尺寸均小于1mm。

光源1输出的光信号通过尾纤一21经过耦合器2分别进入尾纤三23、尾纤四24和尾纤五25，并传输至管一31、管二32和管三33内液体4的上表面通过反射返回至耦合器2发生干涉，再经过尾纤二22传输至光探测器5。当连通器发生倾斜时，尾纤三23、尾纤四24和尾纤五25与液体4的上表面距离h1、h2和h3均发生变化，导致三路光的光程差改变，从而光探测器5 测得的光信号随之改变，使得不同的倾斜角度及倾斜方向对应不同的光信号，也即通过光程差实现倾斜角度和倾斜方向的测量。

为了实现精确测量，将尾纤三23、尾纤四24和尾纤五25分别插入管一 31、管二32和管三33的中轴线处。此时，尾纤三23、尾纤四24和尾纤五 25与液体4上表面距离h1、h2和h3分成两种情况来分析：当管内液面为上凸弧形时，尾纤三23、尾纤四24和尾纤五25的端部与管一31、管二32和管三33的管内液面最高点的距离为h1、h2和h3；当管内液面为下凹弧形时，尾纤三23、尾纤四24和尾纤五25的端部与管一31、管二32和管三33的管内液面最低点的距离为h1、h2和h3。管内液面为上凸弧形还是下凹弧形，取决于液体4本身的性质。

由于液体4表面张力的存在，液体4在连通器内的液面呈弧形，连通器倾斜时，液面依然能够保证将部分光直接反射回尾纤三23、尾纤四24和尾纤五25，进而通过耦合器2实现干涉。

本实施例中液体4采用水银，但并不仅限于此，任何能反射部分光的液体都可以。

实施例2，如图3所示，本发明第二实施例的一种基于干涉原理的光纤水平仪，与实施例1不同之处在于，本实施例中连通器由不在一个平面内的4 个管组成，即N＝4。管一31和管二32、管二32和管四34、管四34和管三 33、管三33和管一31的上部和下部分别通过连通管3连通，对应位置的上、下连通管平行设置，且所有上连通管处于一水平面，所有下连通管处于一水平面。管一31、管二32、管三33和管四34由于上部和下部的连通使得内部压强一致。

耦合器2的第一端口通过尾纤一21与光源1相连，耦合器2的第二端口通过尾纤二22与光探测器5相连，耦合器2的第三端口通过尾纤三23接入管一31中，耦合器2的第四端口通过尾纤四24接入管二32中，耦合器2的第五端口通过尾纤五25接入管三33中，耦合器2的第六端口通过尾纤六26 接入管四34中。

尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25和尾纤六26的端部分别插入管一31、管二32、管三33和管四34中，且管一31、管二32、管三33和管四34的顶部均密封。

其中，如图4所示，管一31和管四34的截面形状为两个半径不相等的圆形，管二32和管三33截面形状为大小相等的方形，且所有管内部的截面尺寸均小于1mm。

光源1输出的光信号通过尾纤一21经过耦合器2分别进入尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25和尾纤六26，并传输至管一31、管二32、管三33和管四34内液体4的上表面通过反射返回至耦合器2发生干涉，再经过尾纤二22 传输至光探测器5。当连通器发生倾斜时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25 和尾纤六26与液体4的上表面距离h1、h2、h3和h4均发生变化，导致四路光的光程差改变，从而光探测器5测得的光信号随之改变，使得不同的倾斜角度及倾斜方向对应不同的光信号，也即通过光程差实现倾斜角度和倾斜方向的测量。

为了实现精确测量，将尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25和尾纤六26分别插入管一31、管二32、管三33和管四34的中轴线处。此时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25和尾纤六26与液体4上表面距离h1、h2、h3和h4分成两种情况来分析：当管内液面为上凸弧形时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25和尾纤六26的端部与管一31、管二32、管三33和管四34的管内液面最高点的距离为h1、h2、h3和h4；当管内液面为下凹弧形时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25和尾纤六26的端部与管一31、管二32、管三33和管四34的管内液面最低点的距离为h1、h2、h3和h4。管内液面为上凸弧形还是下凹弧形，取决于液体4本身的性质。

由于液体4表面张力的存在，液体4在连通器内的液面呈弧形，连通器倾斜时，液面依然能够保证将部分光直接反射回尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25和尾纤六26，进而通过耦合器2实现干涉。

实施例3，如图5所示，本发明第三实施例的一种基于干涉原理的光纤水平仪，与实施例1不同之处在于，本实施例中连通器由不在一个平面内的5个管组成，即N＝5。管一31和管二32、管二32和管四34、管四34和管五35、管五 35和管三33、管三33和管一31的上部和下部分别通过连通管3连通，对应位置的上、下连通管平行设置，且所有上连通管处于一水平面，所有下连通管处于一水平面。管一31、管二32、管三33、管四34和管五35由于上部和下部的连通使得内部压强一致。

耦合器2的第一端口通过尾纤一21与光源1相连，耦合器2的第二端口通过尾纤二22与光探测器5相连，耦合器2的第三端口通过尾纤三23接入管一31中，耦合器2的第四端口通过尾纤四24接入管二32中，耦合器2的第五端口通过尾纤五25接入管三33中，耦合器2的第六端口通过尾纤六26接入管四34中，耦合器 2的第七端口通过尾纤七27接入管五35中。

尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26和尾纤七27的端部分别插入管一31、管二32、管三33、管四34和管五35中，且管一31、管二32、管三33、管四34和管五35的顶部均密封。

其中，如图6所示，管三33和管五35的截面形状为两个半径不相等的圆形，管一31的截面形状为正五边形，管二32的截面形状为方形，管四34的截面形状为正三角形，且所有管内部的截面尺寸均小于1mm。

光源1输出的光信号通过尾纤一21经过耦合器2分别进入尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26和尾纤七27，并传输至管一31、管二32、管三33、管四34和管五35内液体4的上表面通过反射返回至耦合器2发生干涉，再经过尾纤二22传输至光探测器5。当连通器发生倾斜时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26和尾纤七27与液体4的上表面距离h1、h2、h3、h4和h5均发生变化，导致五路光的光程差改变，从而光探测器5测得的光信号随之改变，使得不同的倾斜角度及倾斜方向对应不同的光信号，也即通过光程差实现倾斜角度和倾斜方向的测量。

为了实现精确测量，将尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26和尾纤七27分别插入管一31、管二32、管三33、管四34和管五35的中轴线处。此时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26和尾纤七27与液体4上表面距离h1、h2、h3、h4和h5分成两种情况来分析：当管内液面为上凸弧形时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26和尾纤七27的端部与管一31、管二 32、管三33、管四34和管五35的管内液面最高点的距离为h1、h2、h3、h4和 h5；当管内液面为下凹弧形时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26 和尾纤七27的端部与管一31、管二32、管三33、管四34和管五35的管内液面最低点的距离为h1、h2、h3、h4和h5。管内液面为上凸弧形还是下凹弧形，取决于液体4本身的性质。

由于液体4表面张力的存在，液体4在连通器内的液面呈弧形，连通器倾斜时，液面依然能够保证将部分光直接反射回尾纤三23、尾纤四24、尾纤五 25、尾纤六26和尾纤七27，进而通过耦合器2实现干涉。

实施例4，如图7所示，本发明第四实施例的一种基于干涉原理的光纤水平仪，与实施例1不同之处在于，本实施例中连通器由不在一个平面内的20个管组成，即N＝20。管一31和管二32、管二32和管三33、管三33和管四34、管四34和管五35、管五35和管六36、管六36和管七37、管七37和管八38、管八 38和管九39、管九39和管十310、管十310和管十一311、管十一311和管十二 312、管十二312和管十三313、管十三313和管十四314、管十四314和管十五315、管十五315和管十六316、管十六316和管十七317、管十七317和管十八 318、管十八318和管十九319、管十九319和管二十320、管二十320和管一31 的上部和下部均通过连通管3连通，对应位置的上、下连通管平行设置，且所有上连通管处于一水平面，所有下连通管处于一水平面。管一31、管二32、管三33、管四34、管五35、……、管二十320由于上部和下部的连通使得内部压强一致。

耦合器2的第一端口通过尾纤一21与光源1相连，耦合器2的第二端口通过尾纤二22与光探测器5相连，耦合器2的第三端口通过尾纤三23接入管一31中，耦合器2的第四端口通过尾纤四24接入管二32中，耦合器2的第五端口通过尾纤五25接入管三33中，耦合器2的第六端口通过尾纤六26接入管四34中，耦合器2的第七端口通过尾纤七27接入管五35中，……，耦合器2的第二十二端口通过尾纤二十二接入管二十320中。

尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26、尾纤七27、……、尾纤二十二端部分别插入管一31、管二32、管三33、管四34、管五35、……、管二十320中，且管一31、管二32、管三33、管四34、管五35、……、管二十320 的顶部均密封。

其中，如图8所示，管一31、管二32、管三33、管四34、管五35、……、管二十320的截面形状为面积相等的圆形，且所有管内部的截面尺寸均小于 1mm。

光源1输出的光信号通过尾纤一21经过耦合器2分别进入尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26、尾纤七27、……、尾纤二十二，并传输至管一31、管二32、管三33、管四34、管五35、……、管二十320内液体4的上表面通过反射返回至耦合器2发生干涉，再经过尾纤二22传输至光探测器5。当连通器发生倾斜时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26、尾纤七 27、……、尾纤二十二与液体4的上表面距离h1、h2、h3、h4、h5、……、h20 均发生变化，导致二十路光的光程差改变，从而光探测器5测得的光信号随之改变，使得不同的倾斜角度及倾斜方向对应不同的光信号，也即通过光程差实现倾斜角度和倾斜方向的测量。

为了实现精确测量，将尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26、尾纤七27、……、尾纤二十二分别插入管一31、管二32、管三33、管四34、管五35、……、管二十320的中轴线处。此时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26、尾纤七27、……、尾纤二十二与液体4上表面距离h1、h2、h3、h4、 h5、……、h20分成两种情况来分析：当管内液面为上凸弧形时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26、尾纤七27、……、尾纤二十二的端部与管一31、管二32、管三33、管四34、管五35、……、管二十320的管内液面最高点的距离为h1、h2、h3、h4、h5、……、h20；当管内液面为下凹弧形时，尾纤三23、尾纤四24、尾纤五25、尾纤六26、尾纤七27、……、尾纤二十二的端部与管一31、管二32、管三33、管四34、管五35、……、管二十320的管内液面最低点的距离为h1、h2、h3、h4、h5、……、h20。管内液面为上凸弧形还是下凹弧形，取决于液体4本身的性质。

由于液体4表面张力的存在，液体4在连通器内的液面呈弧形，连通器倾斜时，液面依然能够保证将部分光直接反射回尾纤三23、尾纤四24、尾纤五 25、尾纤六26、尾纤七27、……、尾纤二十二，进而通过耦合器2实现干涉。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于干涉原理的光纤水平仪，其特征在于，包括：光源(1)、耦合器(2)、连通器以及光探测器(5)，所述连通器由不在一个平面内的N个管组成，且相邻两个管的上部和下部分别连通，每个管内装有液体(4)且管内液面呈弧形；

所述耦合器(2)的第一端口通过尾纤一(21)与所述光源(1)相连，所述耦合器(2)的第二端口通过尾纤二(22)与所述光探测器(5)相连，所述耦合器(2)的第三端口通过尾纤三(23)接入管一(31)中，所述耦合器(2)的第四端口通过尾纤四(24)接入管二(32)中，……，所述耦合器(2)的第N+2端口通过尾纤N+2接入管N中；其中，N≥3且为整数；

所述尾纤三(23)、所述尾纤四(24)、…、所述尾纤N+2的端部分别插入管一(31)、管二(32)、…、管N中且与管内液面上表面的距离分别为h1、h2、……、hN，上述距离均为正数，所述管一(31)、所述管二(32)、…、所述管N的顶部均密封。

2.根据权利要求1所述的光纤水平仪，其特征在于，所述连通器中，相邻两个管的上部和下部分别通过连通管(3)连通；或，所述N个管的上部和下部分别通过盒体连通。

3.根据权利要求1所述的光纤水平仪，其特征在于，所述管一(31)、所述管二(32)、…、所述管N的截面形状完全相同或完全不相同或不完全相同。

4.根据权利要求3所述的光纤水平仪，其特征在于，所述管一(31)、所述管二(32)、…、所述管N的截面形状分别为圆形、三角形、方形、椭圆形和五边形中的一种。

5.根据权利要求1所述的光纤水平仪，其特征在于，所述管一(31)、所述管二(32)、…、所述管N内部的截面尺寸均小于1mm。

6.根据权利要求1所述的光纤水平仪，其特征在于，N的取值范围为3～20。

7.根据权利要求1所述的光纤水平仪，其特征在于，所述尾纤三(23)、所述尾纤四(24)、…、所述尾纤N+2分别插入所述管一(31)、所述管二(32)、…、所述管N的中轴线处。

8.根据权利要求7所述的光纤水平仪，其特征在于，当管内液面为上凸弧形时，所述尾纤三(23)、所述尾纤四(24)、…、所述尾纤N+2的端部与所述管一(31)、所述管二(32)、…、所述管N的管内液面最高点的距离分别为h1、h2、……、hN；

当管内液面为下凹弧形时，所述尾纤三(23)、所述尾纤四(24)、…、所述尾纤N+2的端部与所述管一(31)、所述管二(32)、…、所述管N的管内液面最低点的距离分别为h1、h2、……、hN；

上述距离均为正数。

9.根据权利要求1所述的光纤水平仪，其特征在于，所述液体(4)为水银。

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