CN110849274A - 一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，它是在双圈同轴式光纤位移传感器探头前端叠加上一个准直透镜，用于提高光纤位移传感器的量程。其主要包括：光纤探头、探头套筒和光源，所述探头套筒套设在光纤探头外部；光纤探头是由入射光纤、第一反射光纤及第二反射光纤由内至外依次集束成的双圈同轴式光纤；所述入射光纤探头端包层内集成准直透镜，入射光纤输入端与光源连接；第一反射光纤及第二反射光纤均与信号处理电路连接。本发明结构简单，可突破光纤位移传感器量程较小的限制，实现大位移的测量。

Description

一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，适用于直驱式风力发电机气隙的动态检测。
背景技术
直驱式风力发电机摒弃了传统的传动部件行星齿轮箱而具有诸多优良特性，是风力发电机未来的发展方向。定转子之间的气隙是其非常重要的参数，对发电机的电气性能具有较大的影响，气隙不均匀造成的电磁力不平衡可能会导致轴承温度升高、机组异常振动，从而影响发电机的稳定性。由于采用电流信号、互感电压信号、磁通信号等对风力发电机偏心故障进行检测效果不理想，而气隙信号是一种更加优质的故障特征载体信号，因此对气隙信号进行动态监测一方面有利于风力发电机的状态检测和故障诊断，另一方面可以丰富和发展现有的故障诊断技术，具有重要的学术研究价值和工程应用前景。目前，对发电机气隙进行检测诊断所采用较为成熟的测量方法为平板电容检测法、电涡流传感器检测法。平板电容检测法和电涡流传感器检测法由于受到直驱式风力发电机强磁场的干扰，会对测量结果产生较大的影响。近年来，刚刚兴起的光纤位移传感器，虽具有测量精度高、抗强电磁干扰、安装方便等优良特性，但因其所制作的同轴光纤位移传感器存在量程较小的问题，难以满足对直驱式风力发电机的大气隙(8毫米左右)立体形态检测的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，用于解决目前双圈同轴光纤传感器存在的量程较小问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，包括：光纤探头、探头套筒和光源，所述探头套筒套设在光纤探头外部；光纤探头是由入射光纤、第一反射光纤及第二反射光纤由内至外依次集束成的双圈同轴式光纤；
所述入射光纤探头端包层内集成准直透镜，入射光纤输入端与光源连接；第一反射光纤及第二反射光纤均与信号处理电路连接。
所述入射光纤包括依次设置的入射光纤输入端口和光纤输入单钩管线，所述入射光纤输入端口与光源发射端连接。
所述第一反射光纤及第二反射光纤均包括依次设置的光纤输出单钩管线和反射光纤输出端口，所述反射光纤输出端口与信号处理电路连接；信号处理电路包括依次连接的光电转换电路、放大滤波电路以及上位机。
所述光纤探头由多根多模光纤紧密集束而成，端面呈正六边形形状，中心为入射光纤，入射光纤外周均布多根第一反射光纤，第一反射光纤外周布置多根第二反射光纤。
所述多模光纤的纤芯半径为280um，光纤的数值孔径角为°，相邻两个光纤间的距离为600um，多模光纤材料为石英光纤。
所述准直透镜形状为非球面透镜，包括平面端和曲面端，平面端与所述入射光纤正对，平面端与入射光纤端面之间留有空隙；曲面端与探头端面相切并正对被测表面。
所述准直透镜与所述入射光纤的半径大小相等。
所述准直透镜的直径大小为560um，焦距为485um，所述准直透镜平面端与入射光纤的空隙距离为162um。
所述头套筒材料为金属，探头套筒外表面滚压成网纹或者激光雕刻成网纹。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明将非球面准直透镜与光纤结合起来，研发和设计了集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，可以将该种双圈同轴式光纤位移传感器的量程，从4.8mm增大到10.3mm。将准直透镜集成到入射光纤探头端包层内而不是简易安装在光纤传感器的探头端口，只使入射光纤发射的光线通过并改变入射光线的角度，同时又不影响反射回的光线，从而更加明显的增大传感器的测量量程。将准直透镜集成在双圈同轴光纤位移传感器上，可以消除光纤本证损耗和由于弯曲所带来的附加损耗。具有强抗电磁干扰能力、测量精度高、反应灵敏等特点。
进一步，准直透镜集成到入射光纤探头端包层内但与入射光纤的距离小于准直透镜的焦距，以此使经过准直透镜的光线仍具有一定的发射角度，经过被测表面的反射后光线可被接收光纤接收，而非原路返回，从而进行后续比除运算消除误差并得到输出特性调制函数。
附图说明
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1集成准直透镜的光纤传感器平面图；
图2反射光斑随测量距离的变化示意图；
图3光纤位移传感器探头立体简易示意图；
图4入射光纤端集成准直透镜后光线传播示意图；
图5传感器量程随ζ值不同的变化规律曲线；
图示1、2、4中标注序号1-18分别代表：
1、光源；2、信号处理电路；3、光纤输入端口；4、光纤输出端口；5、单钩管线；6、探头套筒；7、被测物体表面；8、入射光纤；9、第一反射光纤；10、第二反射光纤；11、光纤探头；12、准直透镜；13、空隙；14、入射光纤；15、准直透镜焦点；16、入射光线；17、曲面端；18、平面端。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，它是在双圈同轴式光纤位移传感器探头前端叠加上一个准直透镜，用于提高光纤位移传感器的量程。其主要包括：双圈同轴式光纤、准直透镜、探头套筒。所述光纤传感器入射光纤(也称发射光纤)与光源连接，反射光纤(也称接收光纤)与信号处理电路连接。
所述光纤传感器探头由多模光纤紧密集束而成，探头中心为入射光纤，所述入射光纤与所述反射光纤同轴，准直透镜集成到入射光纤探头端包层内，所述准直透镜平面端与所述入射光纤相对，且距离小于所述准直透镜的焦距。
所述入射光纤的纤芯直径与准直透镜的直径相等，所述准直透镜为非球面准直透镜。所述探头套筒外表面采用网纹形状。
本发明结构简单，可突破光纤位移传感器量程较小的限制，实现大位移的测量。
实施例
如图1至图5所示，一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，用于测量大位移，包括：双圈同轴式光纤、准直透镜12、探头套筒6；所述双圈同轴式光纤包括入射光纤8、第一反射光纤9及第二反射光纤10；所述入射光纤8包括依次设置的光纤输入端口3、光纤输入单钩管线5，所述光纤输入端口3与光源1连接；
图1所示标注5上部一根单钩管线为光纤输入单钩管线5，其长度为150mm，所述光纤输入单钩管线5通过光纤输入端口3处螺帽与所述光源1发射端连接，所述光源1采用大功率光纤发射器，可以发射800nm波长光。
所述反射光纤9、10包括依次设置的光纤输出单钩管线5、光纤输出端口4，所述光纤输出端口4与信号处理电路2连接；
图1所示标注5下部两根单钩管线为所述光纤输出单钩管线5，其长度与所述光纤输入单钩管线5相等，同样为150mm，后续信号处理电路2包含光电转换电路、放大滤波电路以及上位机。所述光纤输入端口3、光纤输出端口4到光纤探头11端面的距离为1000mm。
如图2所示，所述光纤探头11由19根多模光纤紧密集束而成，且呈正六边形形状，中心为入射光纤8，入射光纤8外周均布18根接收光纤，所述接收光纤分为6根内圈接收光纤9和12根外圈接收光纤10，所述入射光纤8与所述接收光纤同轴；所述光纤探头11正对被测物体表面7，具有射出入射光，接收反射光的功能，所述探头外层由探头套筒6保护固定。
作为优选地实施例，所述光纤的的纤芯半径为280um，光纤的数值孔径角为6°，相邻两个光纤间的距离为600um，材料皆为石英光纤。
所述发射光纤共有两圈，以所述入射光纤8纤芯为中心轴，集束成具有双接收光纤圈的同轴传感器；
在双圈同轴光纤位移传感器的输出特性函数
Figure BDA0002288168710000062
中，除了光纤本身特征——入射光纤和反射光纤的纤芯距d、光纤的纤芯半径a0、光纤的数值孔径角θ0影响传感器量程外，存在于光场分布等效半径R(z)中ζ也影响传感器量程。所述光场分布等效半径的表达式为R(z)＝α0+ζtanθ0z3/2，在所述a0和θ0为定值不变得情况下，所述ζ与所述光场分布等效半径R(z)成正相关。若要增大所述双圈同轴光纤位移传感器测量的量程z，所述光场分布等效半径R(z)也将变大。随着测量距离继续增大，所述R(z)也将一直增大，所述光纤传感器接收光纤端面的面积由于小于反射光斑的面积，反射的光线将有一部分的光接收不到，如图3所述。
如图4所示，入射光纤探头端包层内集成所述准直透镜12可以减小入射光线16的入射角，进而减小所述光场分布等效半径R(z)，由于所述ζ与所述光场分布等效半径成正相关，所述a0和θ0在同一传感器大小不变，所以根本原因则是减小ζ。
所述透镜12形状为非球面透镜，平面端18与所述入射光纤14正对，与所述入射光纤14的半径大小相等，准直透镜12的直径大小为560um，焦距为485um，所述准直透镜12平面端18与入射光纤14的空隙13距离小于所述准直透镜的焦距为162um；所述透镜曲面端17与探头端面相切并正对图1所述被测表面7。
根据所述准直透镜12圆周曲率、焦距以及平面端18与入射光纤14的空隙13距离的不同，对所述ζ值大小的影响也不同，上述实施例只给出了其中一种准直透镜和间隙大小参数规格，在此情况下所述ζ可以由不加所述准直透镜时0.5降低到0.2。
如图5所示，实验得出了所述集成准直透镜的光纤位移传感器所影响不同ζ值下，传感器的量程随ζ的变化。
所述探头套筒6材料为金属，所述探头套筒外表面滚压成网纹或者激光雕刻成网纹，以便于传感器安装固定。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，包括：光纤探头(11)、探头套筒(6)和光源(1)，所述探头套筒(6)套设在光纤探头(11)外部；光纤探头(11)是由入射光纤(8)、第一反射光纤(9)及第二反射光纤(10)由内至外依次集束成的双圈同轴式光纤；
所述入射光纤(8)探头端包层内集成准直透镜(12)，入射光纤(8)输入端与光源(1)连接；第一反射光纤(9)及第二反射光纤(10)均与信号处理电路(2)连接。
2.根据权利要求1所述的集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述入射光纤(8)包括依次设置的入射光纤输入端口(3)和光纤输入单钩管线，所述入射光纤输入端口(3)与光源(1)发射端连接。
3.根据权利要求1所述的集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述第一反射光纤(9)及第二反射光纤(10)均包括依次设置的光纤输出单钩管线和反射光纤输出端口(4)，所述反射光纤输出端口(4)与信号处理电路(2)连接；信号处理电路(2)包括依次连接的光电转换电路、放大滤波电路以及上位机。
4.根据权利要求1所述的集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述光纤探头(11)由多根多模光纤紧密集束而成，端面呈正六边形形状，中心为入射光纤(8)，入射光纤(8)外周均布多根第一反射光纤(9)，第一反射光纤(9)外周布置多根第二反射光纤(10)。
5.根据权利要求4所述的集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述多模光纤的纤芯半径为280um，光纤的数值孔径角为(6)°，相邻两个光纤间的距离为600um，多模光纤材料为石英光纤。
6.根据权利要求1所述的集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述准直透镜(12)形状为非球面透镜，包括平面端(18)和曲面端(17)，平面端(18)与所述入射光纤(8)正对，平面端(18)与入射光纤(8)端面之间留有空隙(13)；曲面端(17)与探头端面相切并正对被测表面(7)。
7.根据权利要求6所述的集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述准直透镜(12)与所述入射光纤(8)的半径大小相等。
8.根据权利要求6所述的集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述准直透镜(12)的直径大小为560um，焦距为485um，所述准直透镜(12)平面端(18)与入射光纤(14)的空隙(13)距离为162um。
9.根据权利要求1所述的集成准直透镜的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述头套筒(6)材料为金属，探头套筒(6)外表面滚压成网纹或者激光雕刻成网纹。
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