CN113048890A - 一种非接触式位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式位移测量系统，包括光源模块、解调模块、传感模块，所述传感模块通过接收光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端分别通过A/D转换器、除法器与解调系统连接；所述传感模块包括金属壳体，所述金属壳体的一端设置有安装槽，所述蓝宝石玻璃设置在安装槽内，且蓝宝石玻璃与安装槽之间构成冷却腔；所述冷却腔的内部安装有光纤束，所述发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤的一端分别通过光纤转换连接头汇聚到设置在冷却腔内的光纤束；所述冷却腔内部通过惰性气体冷却。本发明通过蓝宝石玻璃可以隔离外部的高温、高压气体，并且通过冷却腔内部的冷气循环带走热量，保证系统的正常工作，具有较好的实用性。

Description

一种非接触式位移测量系统

技术领域

本发明属于位移测量的技术领域，具体涉及一种非接触式位移测量系统。

背景技术

在纳微米级的定位系统中，要求传感器能检测出微小的力和位移的信息。目前用于微位移检测的原理较多，如光学式位移传感器、光电式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、压电式位移传感器、以及超声波式位移传感器等多种类型。但这些位移传感器大多不能直接和长期应用于高温、高压等恶劣环境下。

位移传感器又称为线性传感器，是应用最广泛的传感器之一。电容式位移传感器一般量程都很小，小于1mm，其精度特别高，一般用于厚度测量，但是需要事先对被测体的导电性进行标定再进行测量，响应频率为几千赫兹到几十K赫兹不等，量程一般是mm级，精度一般是μm级。超声波式传感器属于非接触式测量传感器，其精度高，但由于声波脉冲间具有一定的间隔，因此，它只能实现准实时的位移检测，而不能实现实时的位移测量。电感式位移传感器，按其结构和原理一般都是由固定线圈和可动铁芯组成，当铁芯在线圈内沿轴向运动时，通过线圈电感的变化达到检测位移的目的。这些传统的位移传感器，普遍存在着测量范围较窄，结构较复杂，易受电磁干扰，应用场合有限等问题。

随着光纤制造技术的迅速发展和光纤材料的深入研究，光纤传感技术也得到了快速发展。光纤传感器与传统的各类传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、结构简单、体积小、重量轻等一系列独特的优点。因此，其在高温高压、辐射环境、工况监测、微机电等领域都具有极好的应用前景。以光作为传感和传导媒介的最大优势是传输容量大、抗电磁干扰能力强，以及作为光波载体的光纤(光波导)所具有的化学惰性和柔软性，光纤在传感领域不仅仅作为光信号的传输载体，而且开始成为传感的敏感单元。通过强度调制、相位调制等一系列手段调制光信号，使光信号直接成为位移、温度、压力、应变等传感量的测量手段。在智能材料、智能结构和大型结构监测，高电压、强磁场、核辐射以及生物医学等方面，光纤传感器是非常具有竞争力的测量手段。经过这些年的发展，光纤传感器在科研与工业应用中已经占有重要的一席之地，其主要的原因在于光纤与金属导线之间的根本区别，这一区别是由于光纤传感器具有以下一些独特的优点：

(1)抗电磁干扰能力强、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，这使它可以方便有效的应用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣环境中。

(2)灵敏度高。光纤传感器可以利用强度调制、频率调制、相位调制等一系列的手段对光信号进行处理。随着技术的进步，光源的发光效率、输出功率的稳定性等得到了显著提高，且由于光信号的频率很高，采用相位相干法进行测量的灵敏度非常高，远远高于一般的传感器。目前在很多领域均已得到应用：如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器；测量各种气体浓度的光纤化学传感器；测量各种生物量的光纤生物传感器等。

(3)体积小、重量轻、可弯曲。光纤除了具有体积小、重量轻的特点外还有可弯曲的优点，因此可以利用光纤制成尺寸小、重量轻、弯曲盘绕方便的各种传感器，这有利于航空航天以及在狭小空间中的应用。

(4)测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。

(5)对被测介质影响小，有利于在医药、卫生等具有复杂环境的领域中应用。

(6)便于复用，便于组网。有利于与现有的光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。

(7)成本低。有许多种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。

然而，光纤传感器用于实际测量主要存在的问题是长时间的漂移效应，光纤传感器的漂移效应来自光纤传输线的衰减，耦合器和分束器特性不完善，光源输出不稳定及探测器的影响等。两光纤端面如果出现纵向位移、横向位移，或两光纤轴出现焦度偏差，都会使耦合效率下降。光纤在严重的弯曲状态下会产生模式耦合，特别是导模和辐射模的耦合，从而使光纤传输损耗增大。

反射式光纤位移传感器工作时，光在光纤束端面发射出去的时候具有一定的发射角度，从光纤束端面看过去相当于一束锥形的光被发出并照射在被测物体的表面，光束在经过被测物体表面反射以后，以一个更大的光锥反射回来并被光纤束内的接收端接收。反射式位移传感器探测距离较小，但是探测精度较高，且与被探测物体之间不发生接触，这样就可以应用于很多诸如发电机叶片距离探测，发动机转速探测，强辐射环境下微小位移的探测等特殊领域内。光纤反射式位移探测需要被测物体的反射面平整、光滑，这样可以增加光的反射效率，耦合进入接收光纤的光功率较大，有利于光电转换器件对接收到的光信号做进一步处理。用于发电机内部进行叶片距离探测时，通过分析接收到的光信号的强度，就可以分析得知叶片转子与定子之间的微小距离；同时根据接收到的光强度的周期性变化规律可以计算得到发电机的转速信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式位移测量系统，旨在解决目前位移测量系统在高温、强电磁环境下测量不准确，容易失效的问题。本发明通过耐高温蓝宝石玻璃可以隔离外部的高温、高压气体，防止其进入传感器内部损伤敏感元件，并且在传感器的金属壳体内部设置冷却腔，可以在传感器工作于高温环境时，通过冷气循环带走热量，保证传感器的正常工作，具有较好的实用性。

本发明主要通过以下技术方案实现：

一种非接触式位移测量系统，包括光源模块、解调模块、传感模块，所述解调模块包括A/D转换器、除法器、解调系统；所述光源模块通过发射光纤与传感模块连接，所述传感模块通过接收光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端分别通过A/D转换器、除法器与解调系统连接；所述传感模块包括金属壳体、蓝宝石玻璃、光纤束、光纤转换连接头、发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤；所述金属壳体的一端设置有安装槽，所述蓝宝石玻璃设置在安装槽内，且蓝宝石玻璃与安装槽之间构成冷却腔；所述冷却腔的内部安装有光纤束，所述发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤的一端分别通过光纤转换连接头汇聚到设置在冷却腔内的光纤束；所述冷却腔内部通过惰性气体冷却。所述传感模块即为反射式光纤位移测量传感器。

本发明在使用过程中，光源模块发出的光信号通过输入光纤进入光纤束，在光纤束的端面光信号发射出去并照射到被测物体的表面。光信号经被测物体表面反射后，部分光信号耦合进入第一接收光纤和第二接收光纤，第一接收光纤和第二接收光纤的尾端与光电探测器连接，接收到的光信号经过光电探测器转换为电信号以后输入到解调系统。在保持系统其他参数为定值的情况下，耦合进接收光纤的光强大小只会随着被测物体反射面与光纤束端面之间的距离而改变。对两路光信号强度进行对比就可以得到光纤束端面与被测物体表面之间的距离，即通过非接触式测量微小的位移变化。该技术方案位移测量部分采用全光器件，抗电磁干扰能力强，测量精度较高。

在传感模块中，由一路发射光纤和两路接收光纤组成的发射(接收)端在光纤转换连接头内部按照一定的排列方式组成光纤束，光信号通过光纤束的一端发射出去，经过耐高温蓝宝石玻璃折射以后照射在被测物体表面，同时利用光纤束内的接收光纤接收反射回来的光强信号，对光强信号进行分析得到此时光纤束端面与被测物体表面之间的距离。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述光源模块包括从前至后依次连接的驱动电路、光源、光隔离器；所述光源通过光隔离器与发射光纤的另一端连接；所述光电探测器包括PD1光电探测器、PD2光电探测器，所述第一接收光纤、第二接收光纤的另一端分别与PD1光电探测器、PD2光电探测器连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤分别为单模光纤。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤在光纤束中的排列方式为半圆型、随机型、同轴型、双束型、双圆型、同轴随机型中的任意一种。

为了更好地实现本发明，进一步地，还包括冷却循环系统，所述金属壳体的两侧分别设置有与冷却循环系统的出气口、进气口连接的冷却气体输入通道、冷却气体输出通道；所述冷却气体输入通道、冷却气体输出通道分别与冷却腔连通。所述冷却循环系统为现有技术，故不再赘述。

为了更好地实现本发明，进一步地，还包括固定压环，所述安装槽内部设置有承接座，所述蓝宝石玻璃安装在承接座上，所述固定压环伸入安装槽并压紧蓝宝石玻璃。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述固定压环与安装槽螺纹连接。

非接触式测量：本发明通过探测两路接收光纤接收到的光强度的大小，来计算得到发射光纤端面距离被测物体表面的距离。光源输出光通过发射光纤照射到反射面，经过反射面反射后形成反射锥体，部分反射光耦合进接收光纤后送至光电探测器转化为电信号，在保持其他参数为定值的情况下，耦合进接收光纤的光强大小只会随着反射面与光纤端面之间的距离d而改变，此时光电探测器接收到的光功率大小只取决于距离d，如图3所示。根据光强调制函数的定义，反射式强度调制型光纤位移传感器中的接收光纤(RF)接收的光功率或光通量与发射光纤(TF)输出的光功率或光通量的比值为光强调制函数M，它是反射式光强调制特性的直接反映。

光强调制特性曲线如图4所示，由散射理论可知，发射光纤(TF)发出的光照射在反射面后产生镜面反射和漫反射，其中镜面反射符合几何光学理论，漫反射与反射面的加工方法、表面粗糙度、曲率半径以及材质等因素有关。当漫反射的反射角超过光纤数值孔径角，其反射光不能耦合进接收光纤(RF)，此部分为漫反射损耗光强；部分光纤在漫反射的情况下，其漫反射角小于光纤的数值孔径角，能耦合进入接收光纤，此部分为漫反射的有效部分，在实际应用中反射式光强调制型特性曲线如图4所示。

图4中定义d₀为光纤传感器特性曲线的起始距离，当被测反射面与光纤端面之间距离d小于d₀时，反射光信号不能耦合进接收光纤中，所以[0，d₀]这段区间被称为死区范围。特性曲线到达峰值时所对应的被测距离d_p被称为峰值距离，所对应的光强调制型特性函数，M_p被称为峰值调制系数。[d₀，d_p]这段为特性曲线前坡，灵敏度较高，线性度较好，但线性范围较小，适用于量程较小但分辨率要求较高的位移测量；d_p之后的曲线为特性曲线的后坡，后坡灵敏度低但是线性测量范围大，适用于低分辨率大量程的位移测量。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过耐高温蓝宝石玻璃可以隔离外部的高温、高压气体，防止其进入传感器内部损伤敏感元件，并且在传感器的金属壳体内部设置冷却腔，可以在传感器工作于高温环境时，通过冷气循环带走热量，保证传感器的正常工作，具有较好的实用性。

(2)所述耐高温蓝宝石玻璃可以在一定程度上起到隔绝外部高温、高压气体的作用，保护内部敏感元件。传感器的冷气循环结构可以通过外部冷却循环系统充入冷气对传感器探头进行冷却，更进一步保护传感器在高温、高压恶劣环境下的安全使用。本发明具有抗电磁干扰、耐高温、灵敏度高、非接触测量、便于安装且可以实时监控等优点，可以用于微小位移测量、发电机转速测量和加速度测量等。

(3)抗电磁干扰：由于光信号本质上抗电磁干扰，电磁环境对光信号的相位，幅度等参数都无影响，且金属壳体在传感器中只起到保护与加固的作用，所以该结构的传感器可以免除周围环境的干扰，具有较高的抗电磁干扰能力。

(4)测量精度较高：当其余参数固定以后，反射光强信号只与被测物体表面和发射光纤束端面之间的距离有关，所以可以通过非接触式测量得到被测物的距离。当传感器光斑为圆形，设计探测量程为3.2mm时，其线性量程为1mm，在200KHz工作频率下传感器的分辨率为3.6μm；在20KHz工作频率下传感器的分辨率为1.7μm；在100Hz工作频率下传感器的分辨率达到0.3μm。

(5)耐高温：传感器上部有一片具有气密效果的耐高温蓝宝石玻璃，蓝宝石玻璃直接与高温、高压气体等恶劣环境接触，蓝宝石玻璃可以将外部的高温、高压气体隔离，防止其进入传感器内部损伤敏感元件；同时由于蓝宝石玻璃具有良好的透光性，可以将传感器发出的光信号几乎无损失地传递到被测物体表面。该结构既能够保证敏感元件光纤束在高温、高压等恶劣环境下正常工作，又不会影响到测量光信号的传输。

(6)在传感器的金属壳体左右边缘部分具有冷气循环结构，当传感器工作于高温、高压等恶劣环境下时，冷却循环系统将纯净的氮气通过冷却气体输入通道输入到传感器上部蓝宝石玻璃和光纤束之间，外部输入的冷却气体可以带走传感器内部和蓝宝石玻璃内积累的热量，并通过冷却气体输出通道将热量导出，进一步保证传感器能够在高温、高压环境下稳定工作。

(7)本发明解决了电感和电容式的位移传感器由于其自身原理，容易在极端温度和电磁干扰情况下出现失效和测量不准的现象。传感器敏感部分无电子元器件，在高温环境和复杂电磁环境下表现良好。

附图说明

图1为传感模块的结构示意图；

图2为传感模块的测量原理框图；

图3为传感模块的位移测量原理图；

图4为传感模块的光强调制特性曲线图。

其中：1.发射光纤，2.第一接收光纤，3.第二接收光纤，4.光纤转换连接头，5.光纤束，6.冷却气体输入通道，7.冷却气体输出通道，8.蓝宝石玻璃，9.金属壳体，10.固定压环，11.驱动电路，12.光源，13.光隔离器，14.PD1光电探测器，15.PD2光电探测器，16.A/D转换器，17.除法器，18.解调系统、19.冷却循环系统。

具体实施方式

实施例1：

一种非接触式位移测量系统，如图1、图2所示，包括光源模块、解调模块、传感模块，所述解调模块包括A/D转换器16、除法器17、解调系统18；所述光源模块通过发射光纤1与传感模块连接，所述传感模块通过接收光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端分别通过A/D转换器16、除法器17与解调系统18连接；所述传感模块包括金属壳体9、蓝宝石玻璃8、光纤束5、光纤转换连接头4、发射光纤1、第一接收光纤2、第二接收光纤3；所述金属壳体9的一端设置有安装槽，所述蓝宝石玻璃8设置在安装槽内，且蓝宝石玻璃8与安装槽之间构成冷却腔；所述冷却腔的内部安装有光纤束5，所述发射光纤1、第一接收光纤2、第二接收光纤3的一端分别通过光纤转换连接头4汇聚到设置在冷却腔内的光纤束5；所述冷却腔内部通过惰性气体冷却。

本发明在使用过程中，驱动电路11将驱动电信号加载在发光光源12上作为传感器的输出光信号，输出光信号经过光隔离器13输入到传感器发射光纤1中。由一路发射光纤1和两路接收光纤组成的发射/接收端在光纤转换连接头4内部按照一定的排列方式组成光纤束5，光信号通过光纤束5的一端发射出去，经过耐高温蓝宝石玻璃8折射以后照射在被测物体表面，经过反射后部分光耦合进入第一接收光纤2和第二接收光纤3，第一接收光纤2中的光信号经过传输进入PD1光电探测器14，第二接收光纤3中的光信号进入PD2光电探测器15。将经过光电转换后的两路电信号进行预处理并输入解调系统18。

由于在系统其它参数为定值的情况下，耦合进入两束接收光纤的光信号强度只会随着被测物体的反射面与传感器探头之间的距离而改变，因此利用光电探测器PD1和光电探测器PD2接收到的光信号就可以解调出此时传感器探头与被测物体表面之间的距离，通过连续监测即可检测出被测物体的微小位移量。

所述蓝宝石玻璃8直接与高温、高压气体等恶劣环境进行接触。蓝宝石玻璃8可以将外部的高温、高压气体进行隔离，防止其进入传感器内部损伤敏感元件；同时由于蓝宝石玻璃8具有良好的透光性，可以将传感器发出的光信号几乎无损失地传递到被测物体表面。该结构的设计既能够保证敏感元件光纤束5在高温、高压等恶劣环境下的正常工作，又不会影响到测量光信号的传输。本发明通过耐高温蓝宝石玻璃8可以隔离外部的高温、高压气体，防止其进入传感器内部损伤敏感元件，并且在传感器的金属壳体9内部设置冷却腔，可以在传感器工作于高温环境时，通过冷气循环带走热量，保证传感器的正常工作，具有较好的实用性。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图2所示，还包括冷却循环系统19，还包括冷却循环系统19，所述金属壳体9的两侧分别设置有与冷却循环系统19的出气口、进气口连接的冷却气体输入通道6、冷却气体输出通道7；所述冷却气体输入通道6、冷却气体输出通道7分别与冷却腔连通。冷却循环系统19通过冷却气体输入通道6将冷气输送进入传感器探头光信号发射部分，然后冷气从冷却气体输出通道7排出从而起到为传感器探头降温的作用。

进一步地，还包括固定压环10，还包括固定压环10，所述安装槽内部设置有承接座，所述蓝宝石玻璃8安装在承接座上，所述固定压环10伸入安装槽并压紧蓝宝石玻璃8。

进一步地，所述固定压环10与安装槽螺纹连接。

本发明在使用过程中，当传感器工作于高温、高压等恶劣环境下时，冷却循环系统19将纯净的氮气通过冷却气体输入通道6输入到传感器上部蓝宝石玻璃8和光纤束5之间，外部输入的冷却气体可以带走传感器内部和蓝宝石玻璃8内积累的热量，并通过冷却气体输出通道7将热量导出，从而进一步保证传感器能够在高温、高压环境下稳定工作。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化，如图2所示，所述光源模块包括从前至后依次连接的驱动电路11、光源12、光隔离器13；所述光源12通过光隔离器13与发射光纤1的另一端连接；所述光电探测器包括PD1光电探测器14、PD2光电探测器15，所述第一接收光纤2、第二接收光纤3的另一端分别与PD1光电探测器14、PD2光电探测器15连接。

进一步地，所述发射光纤1、第一接收光纤2、第二接收光纤3分别为单模光纤。在光纤微位移传感器的接收端设置有两路接收光纤，分别为第一接收光纤2和第二接收光纤3，通过将两路接收光信号进行比值处理，可以得到光强变化的线性区域，以此作为微位移传感器的有效量程，可以减小由于光源12输出功率不稳定而带来的测量误差。

进一步地，所述发射光纤1、第一接收光纤2、第二接收光纤3在光纤束5中的排列方式为半圆型、随机型、同轴型、双束型、双圆型、同轴随机型中的任意一种。

本发明在使用过程中，光源12发出的光信号通过输入光纤进入光纤束5，在光纤束5的端面光信号发射出去并照射到被测物体的表面。光信号经被测物体表面反射后，部分光信号耦合进入第一接收光纤2和第二接收光纤3，第一接收光纤2和第二接收光纤3的尾端与光电探测器连接，接收到的光信号经过光电探测器转换为电信号以后输入到解调系统18。在保持系统其他参数为定值的情况下，耦合进接收光纤的光强大小只会随着被测物体反射面与光纤束5端面之间的距离而改变。对两路光信号强度进行对比就可以得到光纤束5端面与被测物体表面之间的距离，即通过非接触式测量微小的位移变化。该技术方案位移测量部分采用全光器件，抗电磁干扰能力强，测量精度较高。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

一种非接触式位移测量系统，如图1、图2所示，包括光源12部分、冷气循环部分、位移测量部分和信号解调部分。

所述光源12部分包括驱动电路11、光源12和光隔离器13，驱动电路11将驱动电信号加载在发光光源12上作为传感器的输出光信号，输出光信号经过光隔离器13输入到传感器发射光纤1中。

所述冷气循环部分包括冷却循环系统19、冷却气体输入通道6和冷却气体输出通道7。冷却循环系统19将洁净的空气通过空气压缩机进行压缩，使低温空气在传感器工作于高温环境中的时候通过冷却气体输入通道6进入传感器内部，通过空气循环将多余热量从冷却气体输出通道7带出传感器。通过控制空气压缩机输出气体的流速，可以控制传感器光纤束5和蓝宝石玻璃8结构间的温度，起到在高温环境中保护传感器的作用。

所述位移测量部分包括由金属壳体9保护在内部的光信号发射光纤1、第一接收光纤2、第二接收光纤3、光纤转换连接头4和蓝宝石玻璃8。传感器的金属壳体9内部安装有一光纤转换连接头4，在光纤转换连接头4下部集成了光信号发射光纤1、第一接收光纤2和第二接收光纤3，三路光纤在光纤转换连接头4内部按照一定的排列方式组成一光纤束5。光信号在光纤束5的端面发射出来，并以一定的发射角度通过空气介质折射进入蓝宝石玻璃8，又经过蓝宝石玻璃8照射到被测物体表面，经其反射后形成反射锥体。经过反射后部分光耦合进入第一接收光纤2和第二接收光纤3，第一接收光纤2中的光信号经过传输进入PD1光电探测器14，第二接收光纤3中的光信号进入PD2光电探测器15。将经过光电转换后的两路电信号进行预处理并输入解调系统18，由于在系统其它参数为定值的情况下，耦合进入两束接收光纤的光信号强度只会随着被测物体的反射面与传感器探头之间的距离而改变，因此利用光电探测器PD1和光电探测器PD2接收到的光信号就可以解调出此时传感器探头与被测物体表面之间的距离，通过连续监测即可检测出被测物体的微小位移量。

所述信号解调部分包括与两路接收光纤相连接的光电探测器PD1、PD2、A/D转换器16、除法器17和解调系统18。两路接收光纤接收到的光信号通过光纤传输到光电探测器中，被光电探测器转换为相对应的电信号，再进行模数转换变为数字信号，光强信息就转化为可以进行信号处理的数字信息，再将数字信息进行处理即可以得到位移与光强之间的对应关系，从而通过探测光强的变化得到对应的位移信息。

假定发射光纤1(TF)和接收光纤(RF)均采用单模光纤，其中发射光纤1(TF)的数值孔径为NA，纤芯半径为r_T，接收光纤(RF)纤芯半径为r_R，s为两光纤轴间距，h代表两光纤端部偏移距离，P₀为光源12耦合到发射光纤1(TF)中的光功率，δ为反射面的反射率，d为发射光纤1到反射面的距离。设发射光纤1(TF)端面出射光场符合准高斯分布，即：

其中，ρ表示远离发射光纤1中心的径向距离，w(d)为距离发射光纤1(TF)端面d处的模场半径，其表达式为

由斯涅尔定理可知，由发射光纤1(TF)出射并经过反射面反射后传送至接收光纤(RF)端面处的光强分布，等价于发射光纤1(TF)的像发出的光并传送至接收光纤(RF)端面处的光强分布。因此，此时反射光锥模场半径

其中：

d′＝2d+h

表示发射光纤1(TF)投射到接收光纤(RF)端面时光波的传播距离。通过上式，乘以反射率δ就可以得到接收光纤(RF)端面上的光强分布，即

则耦合进入接收光纤(RF)中的光功率为：

其中S_R为接收光纤(RF)芯径和反射光斑的重叠面积。定义该反射式强度型结构的特征函数为

M＝f(r_T，r_R，s，NA，h，d)

则接收光纤(RF)接收到的光功率为

P(d)＝δP₀f(Y_T，r_R，s_iNA，h，d)

当d值很小时，反射光锥模场区域和接收光纤(RF)纤芯没有交集，此时接收到的光功率为零，产生一个死区；随着距离d的增大，接收到的光功率随着接收光纤(RF)和反射光锥模场的交叠区域增加而急剧增加，当反射光锥模场区域完全覆盖接收光纤(RF)纤芯时能接收到最大的光功率，此时光强调制函数M达到最大值。随着距离d的继续增大，反射光锥光强减小，而两者交叠面积为恒定的，导致耦合到接收光纤(RF)的光功率减少，因此在其他参数不变的情况下，光强调制函数M仅与接收光纤(RF)的端面和被测物体表面之间的距离d有关。

本发明具体工作原理如下：光源12发出的光经过光隔离器13进入传感器发射光纤1，发射光纤1与第一接收光纤2和第二接收光纤3在光纤转换连接头4中通过一定的排列方式形成光纤束5，光信号从光纤束5端面发射出去并通过蓝宝石玻璃8照射在被测物体表面，光信号在被测物体表面反射形成反射锥体，其中的一部分光信号被第一接收光纤2和第二接收光纤3接收到并耦合进入光纤，在整个系统其他参数确定的情况下，耦合进入第一接收光纤2和第二接收光纤3的光信号强度只与光纤束5端面与被测物体表面之间的距离相关，通过测量光信号强度的变化就可以实现非接触式位移测量。本发明通过蓝宝石玻璃8可以隔离外部的高温、高压气体，并且通过冷却腔内部的冷气循环带走热量，保证系统的正常工作，具有较好的实用性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非接触式位移测量系统，其特征在于，包括光源模块、解调模块、传感模块，所述解调模块包括A/D转换器（16）、除法器（17）、解调系统（18）；所述光源模块通过发射光纤（1）与传感模块连接，所述传感模块通过接收光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端分别通过A/D转换器（16）、除法器（17）与解调系统（18）连接；所述传感模块包括金属壳体（9）、蓝宝石玻璃（8）、光纤束（5）、光纤转换连接头（4）、发射光纤（1）、第一接收光纤（2）、第二接收光纤（3）；所述金属壳体（9）的一端设置有安装槽，所述蓝宝石玻璃（8）设置在安装槽内，且蓝宝石玻璃（8）与安装槽之间构成冷却腔；所述冷却腔的内部安装有光纤束（5），所述发射光纤（1）、第一接收光纤（2）、第二接收光纤（3）的一端分别通过光纤转换连接头（4）汇聚到设置在冷却腔内的光纤束（5）；所述冷却腔内部通过惰性气体冷却。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式位移测量系统，其特征在于，所述光源模块包括从前至后依次连接的驱动电路（11）、光源（12）、光隔离器（13）；所述光源（12）通过光隔离器（13）与发射光纤（1）的另一端连接；所述光电探测器包括PD1光电探测器（14）、PD2光电探测器（15），所述第一接收光纤（2）、第二接收光纤（3）的另一端分别与PD1光电探测器（14）、PD2光电探测器（15）连接。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式位移测量系统，其特征在于，所述发射光纤（1）、第一接收光纤（2）、第二接收光纤（3）分别为单模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式位移测量系统，其特征在于，所述发射光纤（1）、第一接收光纤（2）、第二接收光纤（3）在光纤束（5）中的排列方式为半圆型、随机型、同轴型、双束型、双圆型、同轴随机型中的任意一种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种非接触式位移测量系统，其特征在于，还包括冷却循环系统（19），所述金属壳体（9）的两侧分别设置有与冷却循环系统（19）的出气口、进气口连接的冷却气体输入通道（6）、冷却气体输出通道（7）；所述冷却气体输入通道（6）、冷却气体输出通道（7）分别与冷却腔连通。

6.根据权利要求1所述的一种非接触式位移测量系统，其特征在于，还包括固定压环（10），所述安装槽内部设置有承接座，所述蓝宝石玻璃（8）安装在承接座上，所述固定压环（10）伸入安装槽并压紧蓝宝石玻璃（8）。

7.根据权利要求6所述的一种非接触式位移测量系统，其特征在于，所述固定压环（10）与安装槽螺纹连接。

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