CN114396893A - 基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，主要解决现有角度测量装置结构复杂、整体尺寸较大且测量精度较低的问题。该角位移测量装置包括位移传感模块、旋转模块、光源、光纤环形器、光电转换模块和数据处理模块；位移传感模块包括底座、反射镜座、导轨、滑块、平面反射镜、透镜安装座、微小透镜和光纤；旋转模块用于将被测量装置的角位移转换为平面反射镜在导轨上的位移量；光源发射的光束通过光纤环形器和光纤进入微小透镜，经过微小透镜后传输至平面反射镜上，经过平面反射镜反射后，光束再次通过微小透镜进入光纤环形器，光纤环形器将反射光束传输至光电转换模块，数据处理模块将光功率转换为对应的距离。

Description

基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置

技术领域

本发明属于角度测量仪器领域，具体涉及一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置。

背景技术

在微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical Systems)等精密仪器中，系统部件之间的相对角度通常需要被准确测量。

传统的角位移测量方法主要有机械测量、电磁测量和光学测量三种方法。其中机械测量方法自动化程度较低，电磁测量方法抗电磁干扰能力较弱；相比之下，由于光学检测技术具有快速、精度和灵敏度高、抗电磁干扰等优点而使其在倾斜角度测量领域受到众多研究机构和工业界的青睐。

目前，利用光学法测量倾斜角度的方法大多需要复杂的结构和较昂贵的仪器，而且测量系统的体积较大。例如，中国专利CN101799282 A公开了“一种基于光纤阵列的反射式角位移传感器及测量方法”，该传感器利用光纤阵列的中心光纤出射光束，其他12根阵列光纤作为接收光纤接收反射光束，通过补偿算法和光斑位置解算方法得出角位移量。该传感器能够有效测量角位移量，但是实现测量需要设置多根光纤，使得其结构较为复杂、体积较大，且多根光纤的安装误差对精度的影响较大。

中国专利CN106840042 A公开了“一种基于光纤光栅的角位移传感器”，该传感器利用光纤光栅对轴向应变敏感的特性，得到转轴的角位移量，是一种有效测量角度位移量的方式。但是，其只能测量轴向旋转角度位移量，不能测量偏摆角度位移量。

中国专利CN113310507A公开了“一种测量位移和角度的光纤SPR传感器及标定装置与方法”，该传感器利用光谱波长变化检测出位移和角变化，是由多根光纤组成的装置结构，是一种可以实现位移和角度测量的方法，但是整体结构复杂，注光光纤与调制光纤形成一定角度固定，安装误差对精度的影响较大，且该传感器需要利用光谱仪分析数据，成本较高。

发明内容

本发明的目的是解决现有小角度测量装置结构复杂、整体尺寸较大且测量精度较低的问题，提供一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，包括位移传感模块、旋转模块、光源、光纤环形器、光电转换模块和数据处理模块；所述位移传感模块包括底座、反射镜座、导轨、滑块、平面反射镜、透镜安装座、微小透镜和光纤；所述反射镜座通过导轨和滑块设置在底座上，且能够沿导轨滑动；所述平面反射镜设置在反射镜座上；所述透镜安装座设置在底座上，所述微小透镜采用渐变折射率材料制成，设置在透镜安装座上，微小透镜的一端与光纤连接，另一端与平面反射镜相对平行设置；所述旋转模块用于将被测量装置的角位移转换为平面反射镜在导轨上的直线位移量；所述旋转模块包括旋转块和导钉，所述旋转块的一端与被测量装置连接，另一端设置有腰形孔，所述导钉的一端与反射镜座固连，且连接点通过微小透镜的光轴，另一端设置在腰形孔内，所述旋转块与被测量装置连接点为A，所述导钉的中心点为B，直线AB与平面反射镜的滑动方向的夹角为锐角或钝角；所述光源与光纤环形器的第一端口连接，所述光纤环形器的第二端口通过光纤与微小透镜连接，所述光纤环形器的第三端口通过光电转换模块与数据处理模块连接；所述光源发射的光束通过光纤环形器和光纤进入微小透镜，经过微小透镜后传输至平面反射镜上，经过平面反射镜反射后，光束再次通过微小透镜进入光纤环形器，光纤环形器将反射光束传输至光电转换模块，数据处理模块将该反射光束的光功率转换为对应的距离，进而得出旋转角度。

进一步地，所述底座上设置有微调组件，用于对平面反射镜的方位和俯仰进行调节。

进一步地，所述微调组件包括微调底座、第一方位螺钉、第二方位螺钉和俯仰螺钉；所述微调底座固定设置在滑块上，且位于反射镜座的一侧，其上设置有支撑凸块；所述反射镜座上设置有两个调整凸块，所述第一方位螺钉、第二方位螺钉分别穿过支撑凸块，末端均抵靠在调整凸块上，旋转第一方位螺钉、第二方位螺钉，从而调整调整凸块与支撑凸块之间的距离，进而实现平面反射镜的方位调节；所述俯仰螺钉设置在反射镜座上，其末端抵靠在滑块上，旋转俯仰螺钉，从而实现平面反射镜的俯仰调节。

进一步地，所述微小透镜的中心折射率为1.59，聚焦参数为为0.326，透镜长度为5.856mm，工作距离5mm。

进一步地，所述底座的两侧分别设置有导向块，用于在调试过程中对滑块进行固定。

进一步地，所述光纤环形器为单模光纤环形器。

进一步地，所述光源为波长为1550nm的激光光源。

进一步地，所述平面反射镜通过胶黏剂固定在反射镜座的前端面。

进一步地，所述导钉与反射镜座的连接点位于微小透镜的光轴上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明与现有光学方法测量角位移的方式相比，光纤与自聚焦透镜(微小透镜)既可作为发射装置又可接收装置，使得整体结构简单，成本较低，安装方便，适用于大规模的生产。自聚焦透镜与传统设计不同，根据角度测量范围和旋转模块的大小进行设计，确保接收到的反射光束光强与微角度存在单调的数学关系。同时，本发明的旋转模块可以将微角度转化为线性位移，扩大了测量范围，降低了系统误差的影响，提高了装置的测量精度。此外，本发明的线性位移模块处具有微调机构，可以调节反射镜面的位置，确保反射镜面与透镜端面平行，提高装置测量精度。

2.本发明光纤传输式无源角位移测量装置的接收端与发射端均为同一个渐变折射率材料透镜，结构简单，成本较低，装配误差较小，易于装配与调试，实用性更强且易于携带。微小透镜可替代光纤阵列，并且利用旋转模块将微角度转化为线性位移量，起到了一定的角度放大作用，提高了测量精度，同时降低了误差带来的影响。

3.本发明光纤传输式无源角位移测量可以很好地测量偏摆角度位移量，易于实现，测量装置仅测量光强的变化值，通过光电转换得到相应的角度值，属于无源测量，可抗电磁干扰，可用于强电场、强磁场环境等特殊环境或极端环境，且所需要的测量设备简单，测量精度较高。

4.本发明光纤传输式无源角位移测量装置可进行远距多通道数据采集，通过数据处理模块实现多个地方的远距离角度测量，大大降低了人工成本，同时增加了工作的便携性和工作效率。

附图说明

图1为本发明基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置结构示意图；

图2为本发明光纤传输式无源角位移测量装置中位移传感模块的结构示意图；

图3为本发明光纤传输式无源角位移测量装置中微调组件的结构示意图；

图4为本发明旋转块的安装示意图。

附图标记：1-位移传感模块，3-旋转模块，4-光源，5-光纤环形器，6-光电转换模块，7-数据处理模块，8-微调组件，11-底座，12-反射镜座，13-导轨，14-滑块，15-平面反射镜，16-透镜安装座，17-微小透镜，18-光纤，19-导向块，121-调整凸块，31-旋转块，32-导钉，81-微调底座，82-第一方位螺钉，83-第二方位螺钉，84-俯仰螺钉，811-支撑凸块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，该角位移测量装置接收端和发射端均采用同一个渐变折射率材料透镜，利用光强的变化测量被测量装置的旋转小角度，相比于利用电磁式、机械位移式等传感器具有精度高、无源、抗电磁干扰、远距离测量、易于分布式传感、可在强电场或强磁场等极端环境下工作等特点。同时，本发明结构简单，安装简单，且旋转模块将微角度转化为线性位移，扩大了测量范围，提高了测量精度。

如图1所示，本发明提供的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置主要由位移传感模块1、旋转模块3、光源4、光纤环形器5、光电转换模块6和数据处理模块7组成。位移传感模块1和旋转模块3用于将被测量装置的角位移转变为平面反射镜的位移量，进而转变为光强变化。

如图2所示，本发明位移传感模块1主要由底座11、反射镜座12、导轨13、滑块14、平面反射镜15、透镜安装座16、微小透镜17、光纤18和导向块19组成；反射镜座12通过导轨13和滑块14设置在底座11上，且能够沿导轨13滑动；平面反射镜15设置在反射镜座12上，反射镜座12用于将被测量装置的角位移传递给平面反射镜15，平面反射镜15移动进而带来光强的变化，具体安装时，将平面反射镜15通过胶黏剂固定在反射镜座12的前端面；透镜安装座16设置在底座11上，且位于反射镜座12的一侧。微小透镜17设置在透镜安装座16上，其采用渐变折射率材料制成，微小透镜17的一端与光纤18连接，另一端与平面反射镜15相对平行设置，且微小透镜17的光轴通过平面反射镜15中心，即微小透镜17与平面反射镜15的光轴同轴。

本发明微小透镜17作为发射与接收光束的关键器件，将发射与接收集成一体，大大缩小了整体尺寸，且对装配要求降低。具体的，该微小透镜17的材料为渐变折射率材料，中心折射率为1.59，聚焦参数为0.326，透镜长度为5.856mm，工作距离为5mm。

如图1所示，本发明旋转模块3用于将被测量装置的角位移转换为平面反射镜15在导轨13上的直线位移量，该旋转模块3具体包括旋转块31和导钉32，旋转块31的一端与被测量装置连接，另一端设置有腰形孔，导钉32的一端与反射镜座12固连，且连接点通过微小透镜17的光轴，另一端设置在腰形孔内，且能够在腰形孔内滑动。测量时，被测量装置的角位移通过旋转块31和导钉32传递至反射镜座12上，即将被测量装置的角位移转换为平面反射镜15在导轨13上的直线位移量。

如图4所示，本发明旋转模块3采用旋转块，目的是将被测量装置的微小旋转角度转换为平面反射镜15在导轨13上的较大的直线位移量，即将被测量装置的角位移转换为平面反射镜15的直线位移量，此时，旋转块31与被测量装置连接点为A，导钉32的中心点为B，直线AB与平面反射镜15的滑动方向的夹角为锐角或钝角；根据旋转块31固定位置与导钉32连接处的距离控制被测量装置旋转角度为反射镜位移量的放大倍数。被测量装置与旋转块31固定连接，被测量装置旋转小角度后，此时旋转块固定端的旋转角度相应为小角度，旋转块固定端与位移模块的固定位置距离为r，此时，反射镜座随着旋转模块转动后发生一定的位移，根据小角度法，位移大小约为r×θ，将角度量θ放大为位移量r×θ。由于小角度不方便测量，利用该方法既可以方便测量小角度，又可以大大提高测量精度。此外，通过旋转块31和导钉32的配合，可以很好地完成平面反射镜15沿着导轨13的移动，有效地防止卡死。

本发明光源4与光纤环形器5的第一端口连接，光纤环形器5的第二端口通过光纤18与平面反射镜15连接，第三端口通过光电转换模块6与数据处理模块7连接；光源4发射的光束通过光纤环形器5和光纤18进入微小透镜17，经过微小透镜17后传输至平面反射镜15上，经过平面反射镜15反射后，光束再次通过微小透镜17进入光纤环形器5后，光纤环形器5将反射光束传输至光电转换模块6，数据处理模块7将该光功率转换为对应的距离，进而得出旋转角度。

如图3所示，为使得微小透镜17的端面与平面反射镜15平行，需对平面反射镜15的方位和俯仰进行调整，在本发明实施例中，通过微调组件8对平面反射镜15的方位和俯仰进行调节，微调组件8包括微调底座81、第一方位螺钉82、第二方位螺钉83和俯仰螺钉84；微调底座81上设置在滑块14上，其上设置有支撑凸块811；反射镜座12上设置有两个调整凸块121；第一方位螺钉82、第二方位螺钉83与支撑凸块811螺纹连接，第一方位螺钉82、第二方位螺钉83穿过支撑凸块811后，其末端均抵靠在调整凸块121上，旋转第一方位螺钉82、第二方位螺钉83，从而调整调整凸块121与支撑凸块811之间的距离，进而对平面反射镜15的方位进行调节；俯仰螺钉84设置在反射镜座12上，其末端抵靠在滑块14上，旋转俯仰螺钉84，从而实现平面反射镜15的俯仰调节。

此外，底座11的两侧分别设置有导向块19，用于在装配和调试时，将滑块14固定，以便于静态调整平面反射镜15与微小透镜17的相对位置，从而找到测量装置在没有旋转下的初始位置。

本发明光纤传输式无源角位移测量装置的工作方式：激光光源发射1550nm近红外光进入单模光纤环形器，经过微小透镜17后传输至平面反射镜15上。经过平面反射镜15的反射后，光束进入单模光纤环形器5后传输至光电转换模块6，将该处的光功率转换为对应的距离，进而得出旋转角度。被测量装置的旋转角度不同，引起旋转模块3带动平面反射镜15轴向移动。某个旋转角度对应的平面镜位置唯一，光功率值唯一，因此可以通过光功率与直线位移、直线位移与旋转角度之间的关系得出实际测量的旋转角度值。

本发明利用旋转块能够被测量装置的微小旋转角度放大一定的倍数，进而转化为平面反射镜15沿着导轨13的位移量，使得光强度变化相对较慢，且装置整体固定，抵抗振动能力相对较强，因此本发明测量精度较高，且整体可靠性较好。同时，本发明使用的结构件加工难度较低，且可以批量生产，微小透镜17可批量生产，且性能稳定性较强，整体成本相对较低，装配和调试简单。

与需要有源设备测量电阻、电磁等物理量不同，本发明光纤传输式无源角位移测量装置仅通过测量光强的变化值后通过光电转换得到相应的角度值，属于无源测量，可用于强电场、强磁场环境内，且所需要的测量设备简单，转换精度较高。

本发明光纤传输式无源角位移测量装置激光采用近红外波段，并配有光强检测电路，可以利用光纤实时传输数据，也可以利用无线模块，无线传输数据。

本发明光纤传输式无源角位移测量装置成本低，结构简单，安装方便。该传感器利用渐变折射率材料设计的微小透镜17，与光纤18封装后，可实现无源、长距离的角度探测，在调整光模块过程中，由于接收端和发射端均是同一个渐变折射率材料透镜，装配过程中进入的误差量少，装配容易。

Claims (9)

1.一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：包括位移传感模块(1)、旋转模块(3)、光源(4)、光纤环形器(5)、光电转换模块(6)和数据处理模块(7)；

所述位移传感模块(1)包括底座(11)、反射镜座(12)、导轨(13)、滑块(14)、平面反射镜(15)、透镜安装座(16)、微小透镜(17)和光纤(18)；

所述反射镜座(12)通过导轨(13)和滑块(14)设置在底座(11)上，且能够沿导轨(13)滑动；所述平面反射镜(15)设置在反射镜座(12)上；

所述透镜安装座(16)设置在底座(11)上，所述微小透镜(17)采用渐变折射率材料制成，设置在透镜安装座(16)上，微小透镜(17)的一端与光纤(18)连接，另一端与平面反射镜(15)相对平行设置，且微小透镜(17)的光轴通过平面反射镜(15)的中心；

所述旋转模块(3)用于将被测量装置的角位移转换为平面反射镜(15)在导轨(13)上的直线位移量；所述旋转模块(3)包括旋转块(31)和导钉(32)，所述旋转块(31)的一端与被测量装置连接，另一端设置有腰形孔，所述导钉(32)的一端与反射镜座(12)固连，另一端设置在腰形孔内；

所述旋转块(31)与被测量装置连接点为A，所述导钉(32)的中心点为B，直线AB与平面反射镜(15)的滑动方向的夹角为锐角或钝角；

所述光源(4)与光纤环形器(5)的第一端口连接，所述光纤环形器(5)的第二端口通过光纤(18)与微小透镜(17)连接，所述光纤环形器(5)的第三端口通过光电转换模块(6)与数据处理模块(7)连接；

所述光源(4)发射的光束通过光纤环形器(5)和光纤(18)进入微小透镜(17)，经过微小透镜(17)后传输至平面反射镜(15)上，经过平面反射镜(15)反射后，光束再次通过微小透镜(17)进入光纤环形器(5)，光纤环形器(5)将反射光束传输至光电转换模块(6)，数据处理模块(7)将该反射光束的光功率转换为对应的距离，进而得出旋转角度。

2.根据权利要求1所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：所述底座(11)上设置有微调组件(8)，用于对平面反射镜(15)的方位和俯仰进行调节。

3.根据权利要求2所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：所述微调组件(8)包括微调底座(81)、第一方位螺钉(82)、第二方位螺钉(83)和俯仰螺钉(84)；所述微调底座(81)固定设置在滑块(14)上，且位于反射镜座(12)的一侧，其上设置有支撑凸块(811)；所述反射镜座(12)上设置有两个调整凸块(121)，所述第一方位螺钉(82)、第二方位螺钉(83)分别穿过支撑凸块(811)，末端均抵靠在调整凸块(121)上，旋转第一方位螺钉(82)、第二方位螺钉(83)，从而调整调整凸块(121)与支撑凸块(811)之间的距离，进而实现平面反射镜(15)的方位调节；所述俯仰螺钉(84)设置在反射镜座(12)上，其末端抵靠在滑块(14)上，旋转俯仰螺钉(84)，从而实现平面反射镜(15)的俯仰调节。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：所述微小透镜(17)的中心折射率为1.59，聚焦参数为0.326，透镜长度为5.856mm，工作距离为5mm。

5.根据权利要求4所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：所述底座(11)的两侧分别设置有导向块(19)，用于在调试过程中对滑块(14)进行固定。

6.根据权利要求5所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：所述光纤环形器(5)为单模光纤环形器。

7.根据权利要求6所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：所述光源(4)为波长为1550nm的激光光源。

8.根据权利要求7所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：所述平面反射镜(15)通过胶黏剂固定在反射镜座(12)的前端面。

9.根据权利要求8所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源角位移测量装置，其特征在于：所述导钉(32)与反射镜座(12)的连接点位于微小透镜(17)的光轴上。

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