CN116839544A - 一种光纤传感式纳米级水平仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤传感式纳米级水平仪，沿光束传输方向依次包括：宽带光源、光纤耦合器、光纤传感探头、光谱仪和解调模块，光纤耦合器连接宽带光源、光纤检测探头和光谱仪；光纤传感探头包括密封盒、若干单模光纤和液体，液体位于密封盒内，密封盒的上表面上设有若干通孔，单模光纤与通孔一一对应，单模光纤的入光端穿过通孔，出光端位于密封盒内，将光输出到自由空间，液体的液面用于反射光学信号，出光端、液体的液面以及空气形成FP光学干涉腔，当光信号传输到入光端面时，一部分光发生反射，另一部分光传输至液体的液面被再次反射，两束反射光在空间上相遇并产生干涉光谱。本发明可以实现二维水平倾斜度大小和位置探测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种光纤传感式纳米级水平仪。
背景技术
水平仪是一种用于水平基准线确定与水平度检测的精密量具，在精密仪器装备安装调平、建筑施工找平以及仪器仪表中发挥重要作用。目前市面上的水平仪主要包括气泡水平仪，电子水平仪和激光水平仪等。
气泡水平仪将液体和气泡密封于玻璃腔中，利用倾斜液面的重力变化带动气泡向高处移动，并通过读取气泡偏离中心的刻度，实现水平度判定。但人眼读数的方法容易产生随机误差且测量效率不高。为了提高检定精度，2022年计量与测试技术第49期发表文章《基于图像处理的气泡水平仪读数识别算法研究》，提出一种基于图像处理的刻度线和水泡识别算法。但受限于气泡与刻度线的读数与测量原理，该类方法仍难以满足高精度水平检测应用需求。此外，气泡水平仪在长时间使用后还会出现漏液问题，限制了该方法使用。
电子水平仪包括电感式和电容式两类，其基本工作原理是利用倾斜带动摆锤移动，使感应线圈或电极板产生电感或电容变化，最终转化为相应的电压或电流变化，实现水平度检测。但电学水平仪容易受外界电磁干扰，限制了其应用环境和探测精度。
激光水平仪利用准直性好的激光束作为水平基准线，并配合光电探测元件实现水平度检定。例如Bosch GLL8-40E激光水平仪精度为0.1mm/m，常用于工程建筑领域的基准找平，但对于干涉型光学器件等精密装备调平，毫米量级检定精度无法满足要求。
目前大多数测量方法都只能检测一维水平度，给相关研究和应用带来很大的困难。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种光纤传感式纳米级水平仪，可以实现二维水平倾斜度大小和位置探测。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种光纤传感式纳米级水平仪，沿光束传输方向依次包括：宽带光源、光纤耦合器、光纤传感探头、光谱仪和解调模块，所述光纤耦合器连接宽带光源、光纤检测探头和光谱仪；
所述光纤传感探头包括密封盒、若干单模光纤和液体，所述液体位于所述密封盒内，所述密封盒的上表面上设有若干通孔，所述单模光纤与所述通孔一一对应，所述单模光纤的入光端穿过所述通孔，出光端位于所述密封盒内，将光输出到自由空间，所述液体的液面用于反射光学信号，所述出光端、所述液体的液面以及空气形成FP光学干涉腔，当光信号传输到所述入光端面时，一部分光发生反射，另一部分光传输至液体的液面被再次反射，两束反射光在空间上相遇并产生干涉光谱。
进一步的，若干所述单模光纤形成第一干涉腔组和第二干涉腔组，所述第一干涉腔组包括第一FP光学干涉腔和第二FP光学干涉腔，所述第二干涉腔组包括第三FP光学干涉腔和第四FP光学干涉腔，所述第一干涉腔组和所述第二干涉腔组正交分布。
进一步的，所述液体为具有反射率和流动性的液体。
进一步的，所述液体为水或者水银。
进一步的，所述宽带光源中心波长为1550nm，用于提供水平度检测的光信号。
进一步的，所述光谱仪的波长范围为600～1700nm，用于探测反射光谱信号。
进一步的，所述解调模块解调采集到的光谱信号，用于获得倾斜量的大小和位置信息。
进一步的，所述单模光纤的出光端与所述液体液面之间的距离可调。
进一步的，所述FP光学干涉腔的干涉光谱强度I为：
其中，I0为入射光光强，R为端面反射率，λ为波长，L为FP光学干涉腔长。
进一步的，所述FP光学干涉腔的自由光谱范围FSR为：
n为FP光学干涉腔材料折射率。
本发明的有益效果：
本发明通过设置正交分布的干涉腔组，可以实现二维水平倾斜度大小和位置探测。本发明具有集成度高、测量精度高等优点，解决了目前水平仪测量精度不高、易受外界电磁干扰、测量维度单一问题。
附图说明
图1为本发明实施例的一种光纤传感式纳米级水平仪的结构示意图；
图2为本发明实施例的光纤传感探头的结构示意图；
图3为本发明实施例的光纤传感探头的俯视图；
图4为本发明实施例的水平仪产生的游标光谱包络图；
图5为本发明实施例的水平仪的游标光谱包络随水平度变化漂移图；
图6为本发明实施例的光纤水平仪在水平和竖直方向上水平度检测灵敏度图。
图7为本发明提出的一种光纤传感式纳米级水平仪检测二维水平度的矢量叠加示意图。
附图标记：
1、宽带光源；2、光纤耦合器；3、光纤传感探头；31、密封盒；32、单模光纤；33、液体；34、第一干涉腔组；35、第二干涉腔组；321、第一FP光学干涉腔；322、第二FP光学干涉腔；323、第三FP光学干涉腔；324、第四FP光学干涉腔；4、光谱仪；5、解调模块。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
请参阅图1至图3，根据本发明实施例的一种光纤传感式纳米级水平仪，沿光路传输方向依次包括宽带光源1、光纤耦合器2、光纤传感探头3、光谱仪4和解调模块5。
具体地，宽带光源1的中心波长为1550nm，提供用于水平度检测的光信号。光纤耦合器2为2×4端口，用于连接宽带光源1、光纤检测探头3和光谱仪4，解调模块5与光谱仪4连接。光谱仪4波长范围为600～1700nm，用于探测反射光谱信号。解调模块5用于解调游标光谱包络的漂移量和漂移方向，获得x和y方向水平度的大小和位置信息，将解调得到的x和y方向水平度的大小和位置进行矢量叠加，获取二维水平度测量结果。
光纤传感探头3用于探测水平度。如图2a所示，光纤传感探头3包括密封盒31、若干单模光纤32和液体33，液体33位于密封盒31内，为具有反射率和流动性的液体，例如为水或者水银。密封盒31的上表面上设有若干通孔，本实施例中通孔的数量为4。单模光纤32与通孔一一对应，单模光纤32的入光端穿过通孔，出光端位于密封盒31内，将光输出到自由空间，液体33的液面用于反射光学信号，出光端、液体33的液面以及空气形成FP光学干涉腔，当光信号传输到入光端面时，一部分光发生反射形成一束反射光，另一部分光传输至液体33的液面被再次反射，形成另一束反射光，两束反射光在空间上相遇并产生干涉光谱。FP光学干涉腔的干涉光谱强度I为：
其中，I0为入射光光强，R为端面反射率，λ为波长，L为FP光学干涉腔长。
FP光学干涉腔的自由光谱范围FSR为：
n为FP光学干涉腔材料折射率。
单模光纤32形成第一干涉腔组34和第二干涉腔组35，第一干涉腔组34包括第一FP光学干涉腔321和第二FP光学干涉腔322，位于水平x方向。第二干涉腔组35包括第三FP光学干涉腔323和第四FP光学干涉腔324，位于竖直y方向如图3所示。第一干涉腔组34和第二干涉腔组35在x方向和y方向正交排布，光信号干涉耦合产生游标效应，得到两组游标光谱信号。
第一FP光学干涉腔321和第二FP光学干涉腔322、第三FP光学干涉腔323和第四FP光学干涉腔324反射光谱的自由光谱范围接近，耦合干涉产生两组游标光谱信号，分别用于x和y方向倾斜度传感。
进一步地，利用显微镜和精密位移台调节单模光纤32的出光端端面与液体33液面的距离，本实施例中，将第一FP光学干涉腔321、第二FP光学干涉腔322、第三FP光学干涉腔323和第四FP光学干涉腔324的腔长L分别设定为L1＝240μm，L2＝300μm，L3＝400μm，L4＝460μm，并用紫外胶固定在密封盒31上表面。
游标光谱包络的周期可以表示为：
相较于单个FP光学干涉腔，基于游标效应的光谱漂移量得到有效放大，放大
倍数为：
其中FSRs、FSRr表示两个FP干涉腔中传感和参考干涉腔的自由光谱范围，将直接影响游标包络信号的周期和放大倍数。
液体33的液面随水平度倾斜变化时，x或y方向两FP光学干涉腔的腔长一个增大，另一个减小，进一步增大游标光谱包络的漂移量，产生增强游标效应。如图2b所示，以位于竖直y方向的第三FP光学干涉腔323和第四FP光学干涉腔324为例，液体倾斜带动两FP光学干涉腔的腔长一个增大，另一个减小。
进一步地，温度等环境扰动对FP光学干涉腔长的影响效果是相同的，同时增大或同时减小，产生减弱游标效应。
以两FP光学干涉腔长(L3,L4)＝(400μm,460μm)，水平度倾斜变化量1μm为例，计算游标光谱信号漂移。图4a为普通游标，两FP光学干涉腔一个用作传感腔，另一个用作参考腔，即腔长(L3,L4)＝(399μm,460μm)或(401μm,460μm)或(400μm,461μm)或(400μm,459μm)。
进一步地，将两FP干涉腔均用作传感腔，图4b为正向增强游标，腔长(L3,L4)＝(399μm,461μm)；图4c为减弱游标，腔长(L3,L4)＝(399μm,459μm)，对应温度等环境扰动对FP光学干涉腔长的影响效果；图4d为负向增强游标，腔长(L3,L4)＝(401μm,459μm)。
由图4所示的普通游标、增强游标和减弱游标信号的光谱漂移可见，对于相同的FP光学干涉腔长变化量，增强游标比普通游标具有更大的光谱包络漂移，减弱游标的光谱包络几乎不发生漂移，因此根据本发明实施例的一种光纤传感式纳米级水平仪环境稳定性好。进一步地，利用正向和反向增强游标光谱包络的漂移方向，可实现不同方向水平度的倾斜测量。
如图5所示，当水平度倾斜变化导致FP光学干涉腔长改变10nm，20nm时，根据公式(1)-(4)计算得到游标光谱包络随水平度变化漂移图，从图中可以发现随着水平度变化的增加，游标包络光谱波长发生明显漂移，表明本发明提出的一种光纤传感式纳米级二维水平仪理论分辨率可达到10nm，20nm。
如图6所示，x方向的第一干涉腔组中的第一FP光学干涉腔321和第二FP光学干涉腔322的长度(L1,L2)＝(240μm,300μm)，y方向的第二干涉腔组中的第三FP光学干涉腔323和第四FP光学干涉腔324的长度(L3,L4)＝(400μm,460μm)，当分别变化0.5μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm时，计算得到相应的游标光谱包络波长漂移量，进一步得到水平方向和竖直方向的灵敏度分别为-0.04886和-0.04771。
如图7所示，由两组正交分布的游标光谱独立解调得到x,y方向水平度Δhx和Δhy，经过矢量叠加即可得到二维平面上的水平度Δh的大小及位置信息。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，沿光束传输方向依次包括：宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤传感探头(3)、光谱仪(4)和解调模块(5)，所述光纤耦合器(2)连接宽带光源(1)、光纤检测探头(3)和光谱仪(4)；
所述光纤传感探头(3)包括密封盒(31)、若干单模光纤(32)和液体(33)，所述液体(33)位于所述密封盒(31)内，所述密封盒(31)的上表面上设有若干通孔，所述单模光纤(32)与所述通孔一一对应，所述单模光纤(32)的入光端穿过所述通孔，出光端位于所述密封盒(31)内，将光输出到自由空间，所述液体(33)的液面用于反射光学信号，所述出光端、所述液体(33)的液面以及空气形成FP光学干涉腔，当光信号传输到所述入光端面时，一部分光发生反射，另一部分光传输至液体(33)的液面被再次反射，两束反射光在空间上相遇并产生干涉光谱。
2.根据权利要求1所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，若干所述单模光纤(32)形成第一干涉腔组(34)和第二干涉腔组(35)，所述第一干涉腔组(34)包括第一FP光学干涉腔(321)和第二FP光学干涉腔(322)，所述第二干涉腔组(35)包括第三FP光学干涉腔(323)和第四FP光学干涉腔(324)，所述第一干涉腔组(34)和所述第二干涉腔组(35)正交分布。
3.根据权利要求1所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，所述液体(33)为具有反射率和流动性的液体。
4.根据权利要求3所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，所述液体(33)为水或者水银。
5.根据权利要求1所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，所述宽带光源(1)的中心波长为1550nm，用于提供水平度检测的光信号。
6.根据据权利要求1所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，所述光谱仪(4)的波长范围为600～1700nm，用于探测反射光谱信号。
7.根据权利要求1所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，所述解调模块(5)解调采集到的光谱信号，用于获得倾斜量的大小和位置信息。
8.根据权利要求1所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，所述单模光纤的出光端与所述液体(33)液面之间的距离可调。
9.根据权利要求1所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，所述FP光学干涉腔的干涉光谱强度I为：
其中，I0为入射光光强，R为端面反射率，λ为波长，L为FP光学干涉腔长。
10.根据权利要求9所述的光纤传感式纳米级水平仪，其特征在于，所述FP光学干涉腔的自由光谱范围FSR为：
n为FP光学干涉腔材料折射率。
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