CN109253698B - 一种位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种位移传感器。该传感器包括：光源、多根光纤、至少三个激光分束器、测量模块、参考模块、至少两个光电探测器和材料试样；多根光纤，包括：输入光纤、第一输出光纤、第二输出光纤、测量光纤、参考光纤、第一探测光纤和第二探测光纤；至少三个激光分束器，包括：第一激光分束器、第二激光分束器和第三激光分束器；至少两个光电探测器，包括：第一光电探测器和第二光电探测器。本发明实施例通过多根光纤将光源、至少三个激光分束器、测量模块、参考模块、至少两个光电探测器和材料试样进行相应连接，制备位移传感器，具有安全性高、不易受外界影响，与橡胶基材料相容性好的优点，能够实现对橡胶基结构件裂纹尺寸的测量和实时监测。

Description

一种位移传感器
技术领域
本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及一种位移传感器。
背景技术
因为橡胶基复合材料的工艺稳定性差，所以由这些橡胶基复合材料构成的大型工业产品，例如固体火箭发动机等，在其生产、存储和运输过程中容易出现夹杂、孔隙、裂纹等缺陷和损伤。因此对橡胶基工业产品的结构健康所进行的监测具有重要意义。
位移监测是这些大型工业产品健康监测的重要目标之一。虽然目前有很多种能够用于应变监测的传感器，例如电阻应变片、光纤光栅应变传感器等。但是现有技术中的应变传感器应变范围小、安全性低、容易受外界的干扰，且与常规橡胶基材料相容性差、植入会影响原有结构的应力分布。难以实现对橡胶基材料构成的工业产品内部缺陷实现有效的检监测。
发明内容
本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种位移传感器。
本发明实施例提供一种位移传感器，包括：光源、多根光纤、至少三个激光分束器、测量模块、参考模块、至少两个光电探测器和材料试样；多根光纤，包括：输入光纤、第一输出光纤、第二输出光纤、测量光纤、参考光纤、第一探测光纤和第二探测光纤；至少三个激光分束器，包括：第一激光分束器、第二激光分束器和第三激光分束器；至少两个光电探测器，包括：第一光电探测器和第二光电探测器；光源通过输入光纤与第一激光分束器的入光口连接；第一激光分束器的第一出光口通过第一输出光纤与第二激光分束器的第一出光口连接；第一激光分束器的第二出光口通过第二输出光纤与第三激光分束器的第一出光口连接；第二激光分束器的第二出光口通过第一探测光纤与第一光电探测器连接；第三激光分束器的第二出光口通过第二探测光纤与第二光电探测器连接；第二激光分束器的入光口通过测量光纤与测量模块连接；第三激光分束器的入光口通过参考光纤与参考模块连接，材料试样与测量模块连接。
本发明实施例通过多根光纤将光源、至少三个激光分束器、测量模块、参考模块和至少两个光电探测器进行连接，制备得到位移传感器。由于测量信号在光纤中传播不受光强波动影响，安全性高，并通过与测量模块相连的材料试样与待测的橡胶基材料的结构相连，材料试样能够与多种橡胶基材料具有高相容性、植入不会影响原有结构的应力分布。通过测量模块与参考模块的对比来检监测橡胶基材料的裂纹尺寸和应变，不受外部环境因素的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的位移传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的测量模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的参考模块的结构示意图。
图中：1：光源；2：第一激光分束器；3：第二激光分束器；4：第三激光分束器；5：测量模块；6：参考模块；7：第一光电探测器；8：第二光电探测器；9：材料试样；12：输入光纤；23：第一输出光纤；24：第二输出光纤；35：测量光纤；46：参考光纤；37：第一探测光纤；48：第二探测光纤；51：第一半透射膜；52：第一反射膜；53：第一套筒；61：第二半透射膜；62：第二反射膜；63：第二套筒。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
图1为本发明实施例提供的位移传感器的结构示意图。如图1所示，该位移传感器包括：光源1、多根光纤、至少三个激光分束器、测量模块5、参考模块6、至少两个光电探测器和材料试样9；多根光纤，包括：输入光纤12、第一输出光纤23、第二输出光纤24、测量光纤35、参考光纤46、第一探测光纤37和第二探测光纤48；至少三个激光分束器，包括：第一激光分束器2、第二激光分束器3和第三激光分束器4；至少两个光电探测器，包括：第一光电探测器7和第二光电探测器8。其中：
光源1通过输入光纤12与第一激光分束器2的入光口连接；第一激光分束器2的第一出光口通过第一输出光纤23与第二激光分束器3的第一出光口连接；第一激光分束器2的第二出光口通过第二输出光纤24与第三激光分束器4的第一出光口连接；第二激光分束器3的第二出光口通过第一探测光纤37与第一光电探测器7连接；第三激光分束器4的第二出光口通过第二探测光纤48与第二光电探测器8连接；第二激光分束器3的入光口通过测量光纤35与测量模块5连接；第三激光分束器4的入光口通过参考光纤46与参考模块6连接，材料试样9与测量模块5连接。
具体地，光源1为传感器提供光波。作为一种可选的实施例，光源1，包括：半导体激光器。光源1通过输入光纤12与第一激光分束器2连接，将其所产生的光波传至第一激光分束器2。作为一种可选的实施例，激光分束器的材料的折射率与所述光纤的折射率相同。激光分束器的分光比例为1:1。第一激光分束器2将其所接收到的光波，进行分束处理，例如，先预设激光分束器入光口和出光口的光强比，当光强为Q的光波经过入光口进入激光分束器，出光口就会相应地输出光强为q的两束光波。第一激光分束器2对接收到的光波进行分束处理后，得到第一光波和第二光波。通过第一输出光纤23将第一光波传至第二激光分束器3；通过第二输出光纤24将第二光波传至第三激光分束器4。
测量模块5和材料试样9连接。材料试样9埋入待测的橡胶基材料结构中的，采集被测工程结构的裂纹位移，并将位移量转化的测量干涉光信号通过测量光纤35传至第二激光分束器3。第二激光分束器3将传输过来的测量干涉光信号通过第一探测光纤37传输至第一光电探测器7。同时参考模块6会产生参考干涉光信号，并将参考干涉光信号通过参考光纤46传至第三激光分束器4。第三激光分束器4将传输过来的参考干涉光信号通过第二探测光纤传48传输至第二光电探测器8。
作为一种可选的实施例，光电探测器，包括：光敏二极管。第一光电探测器7和第二光电探测器8，分别接收测量干涉光信号和参考干涉光信号。第一光电探测器7将测量干涉光信号进行光电转换，获得相应的电流或者电压；同时，第二光电探测器8将参考干涉光信号进行光电转换，获得相应的者电压；接着将第一光电探测器7和第二光电探测器8所得到的者电压进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，简称FFT)去获取相应信号频谱；然后根据频谱峰值估计信号的周期数，再利用采样长度和周期数的比值来计算周期的估计值；再利用周期估计值构造平滑差分卷积算子，用卷积算子在进行两次卷积运算，然后通过卷积运算的结果得出零点的位置，根据计算出零点位置之差，估计出干涉信号的频率与周期，最后利用周期或频率量以及比对光路的光程差计算出所要测量的裂纹位移。
作为一种可选的实施例，光纤，包括：聚合物光纤。作为一种可选的实施例，光纤的光纤直径，包括：500μm至1000μm。作为一种可选的实施例，光纤的数值孔径，包括：0.5。
本发明实施例通过多根光纤将光源、至少三个激光分束器、测量模块、参考模块和至少两个光电探测器进行连接，制备得到位移传感器。由于测量信号提取的是干涉光的频率信息，不受光强波动影响，安全性高；且聚合物光纤的选材广泛，能够与多种橡胶基材料具有高相容性、植入不会影响原有结构的应力分布。通过测量模块与参考模块的对比来检监测橡胶基材料的裂纹尺寸和应变，不受外部环境因素的影响。
在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施例，测量模块，包括：第一半透射膜、第一反射膜和第一套筒，第一套筒可轴向拉伸；第一半透射膜、第一反射膜和第一套筒位于同一水平轴线上；所述第一半透射膜在所述第一套筒内部的一端与所述测量光纤连接；所述第一反射膜在所述第一套筒内部的另一端与被测结构连接；相应地，所述第二激光分束器的入光口通过所述测量光纤与所述第一套筒连接，并通向所述第一半透射膜。
具体地，图2为本发明实施例提供的测量模块的结构示意图。如图2所示，测量模块包括：第一半透射膜51、第一反射膜52和第一套筒53；其中：第一半透射膜51、第一反射膜52和第一套筒53三者位于同一水平轴线上，且第一半透射膜51和第一反射膜52分别位于第一套筒53的两端。第一透射膜51在第一套筒53的内部的一端与测量光纤35固定连接，第一反射膜52在第一套筒53的内部的另一端与第一套筒53固定连接。测量模块是埋在被测结构中的，当被测结构发生裂纹等形变时，第一套筒53能够随被测结构发生轴向的拉伸，并产生形变。
在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施例，参考模块，包括：第二半透射膜、第二反射膜和第二套筒；所述第二半透射膜、所述第二反射膜和所述第二套筒位于同水平一轴线上；所述第二半透射膜在所述第二套筒内部的一端与所述参考光纤连接；所述第二反射膜在所述第二套筒内部的另一端与所述第二套筒连接；相应地，所述第三激光分束器的入光口通过所述参考光纤与所述第二套筒连接，并通向所述第二半透射膜。
具体地，图3为本发明实施例提供的参考模块的结构示意图。如图3所示，参考模块包括：第二半透射膜61、第二反射膜62和第二套筒63；其中：第二半透射膜61、第二反射膜62和第二套筒63三者位于同一水平轴线上，且第二半透射膜61和第二反射膜62分别位于第二套筒63的两端。第二半透射膜61在第二套筒63的内部的一端与参考光纤46固定连接，第二反射膜62在第二套筒63的内部的另一端与第二套筒63固定连接。参考模块是漏在被测结构的外部，只产生参考的信号。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种位移传感器，其特征在于，包括：光源、多根光纤、至少三个激光分束器、测量模块、参考模块、至少两个光电探测器和材料试样；
所述多根光纤，包括：输入光纤、第一输出光纤、第二输出光纤、测量光纤、参考光纤、第一探测光纤和第二探测光纤；
所述光纤，包括：聚合物光纤；
所述至少三个激光分束器，包括：第一激光分束器、第二激光分束器和第三激光分束器；
所述至少两个光电探测器，包括：第一光电探测器和第二光电探测器；
所述光源通过所述输入光纤与所述第一激光分束器的入光口连接；所述第一激光分束器的第一出光口通过所述第一输出光纤与所述第二激光分束器的第一出光口连接；所述第一激光分束器的第二出光口通过所述第二输出光纤与所述第三激光分束器的第一出光口连接；
所述第二激光分束器的第二出光口通过第一探测光纤与所述第一光电探测器连接；所述第三激光分束器的第二出光口通过第二探测光纤与所述第二光电探测器连接；所述第二激光分束器的入光口通过所述测量光纤与所述测量模块连接；所述第三激光分束器的入光口通过所述参考光纤与所述参考模块连接，所述材料试样与所述测量模块连接；
所述测量模块，包括：第一半透射膜、第一反射膜和第一套筒，所述第一套筒可轴向拉伸；
所述第一半透射膜、所述第一反射膜和所述第一套筒位于同一水平轴线上；所述第一半透射膜的一端与所述第一套筒的一端连接；所述第一套筒的另一端与所述第一反射膜连接；
相应地，所述第二激光分束器的入光口通过所述测量光纤与所述第一半透射膜的另一端连接，所述材料试样与所述第一反射膜连接。
2.根据权利要求1所述位移传感器，其特征在于，所述参考模块，包括：第二半透射膜、第二反射膜和第二套筒；
所述第二半透射膜、所述第二反射膜和所述第二套筒位于同水平一轴线上；所述第二半透射的一端与所述参考光纤的一端连接；所述第二半透射膜的另一端与所述第二套筒的一端连接；所述第二套筒的另一端与所述第二反射膜连接；
相应地，所述第三激光分束器的入光口通过所述参考光纤与所述第二半透射膜的另一端连接。
3.根据权利要求1所述位移传感器，其特征在于，所述光纤的光纤直径，包括：500μm至1000μm。
4.根据权利要求1所述位移传感器，其特征在于，所述光纤的数值孔径，包括：0.5。
5.根据权利要求1所述位移传感器，其特征在于，所述光源，包括：半导体激光器。
6.根据权利要求1所述位移传感器，其特征在于，所述光电探测器，包括：光敏二极管。
7.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述激光分束器的材料的折射率与所述光纤的折射率相同。
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