CN1560562A - 光纤束位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤束位移传感器，其光纤束探头由多模光纤紧密集束而成，探头后部分为三支，一支用于发射，两支用于接收，光纤束在探头前端面排列为同轴随机型。光发射器发出载波调制光经发射光纤束照射到位移反射面，随位移量变化的反射光经两路接收光纤束返回到两光接收器，光接收器将光信号变为电信号，经各自的锁定放大电路放大、解调和滤波，最后一起输入除法器，将得到的比值作为位移信号。本发明除具有抗电磁干扰、高精度、宽频响、低成本、结构简单和体积小的优点外，还具有测量结果与环境光干扰、光源波动、被测体表面反射率和光纤传输损耗无关的特点，特别适于微小位移的非接触式精密测量，还可应用于振动、厚度和压力的测量。

Description

光纤束位移传感器

技术领域

本发明属于位移测量技术领域，具体涉及一种光纤束位移传感器。该传感器能对微小位移进行高精度非接触式测量，还可应用于振动、厚度和压力的测量。

背景技术

高精度非接触式位移测量是微纳技术、微机电系统技术和精密控制技术的关键，其实现技术主要包括电测量技术和光学测量技术。电测量技术有电涡流式和电容式，它的最大缺点是受电磁干扰，这既影响了测量的精度，又限制了它的应用范围。光学测量技术主要包括激光干涉技术、焦深探测技术和光纤反射技术。激光干涉技术具有高分辨率，但它的精度和稳定性依赖于光波波长。焦深探测技术涉及到复杂的透镜和棱镜组合，结构较复杂。而光纤反射技术是获得高分辨率的最简单方法。

基于光强调制的光纤反射式传感器具有抗电磁干扰、高精度、宽频响、低成本、结构简单和体积小的优点。其光纤探头由发射光纤和接收光纤组成。光经发射光纤照射到被测体表面，反射光经接收光纤进入光接收器变为与接收光强成比例的电信号。接收到的反射光强随光纤探头端面与被测体反射面间的距离的变化而变化。于是传感器的输出信号就成为被测体位移的直接测量值。为了改善传感器性能，探头通常采用光纤束。

但是，这种基于绝对光强的位移测量技术大大影响了传感器的灵敏度。典型的这种传感器可见于美国专利U.S.3327584，U.S.3940608，U.S.4247764和U.S.4694160。它的弊端主要体现在以下几方面：

1.光接收器接收到的反射光强不可避免地受到环境杂散光的干扰。

2.不同的被测体具有不同性质的表面，它们的反射率各不相同，光纤反射式测量的位移特性曲线也各不相同，这就需要经常校验传感器。

3.光源的光强不可能始终保持恒定，电源的波动会导致光源的波动，而且长时间后光强会有所下降。这也需校验或增加额外的光稳电路以保证发射光强的基本恒定。

4.对光纤的弯曲、移动或拉伸等会使光纤的传输损耗发生变化，从而导致纤端出射光强的波动。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种光纤束位移传感器，该传感器测量时不受环境光干扰、光源波动、被测体表面反射率和光纤传输损耗的影响，可增大线性范围和提高灵敏度，实现对微小位移的高精度非接触式测量。

本发明提供的一种光纤束位移传感器，其特征在于：该位移传感器包括载波发生电路、光源驱动电路、光发射器、光纤束探头、二个光接收器、二个锁定放大电路和除法器。锁定放大电路包括依次相连的交流放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路和低通滤波电路。光纤束探头由多模光纤紧密集束而成，探头后部分为三支，一支为发射光纤束，另二支分别为随机型接收光纤束和同轴型接收光纤束。在探头前端面上，发射光纤束和随机型接收光纤束随机排列为内圈的圆盘形，同轴型接收光纤束排列为外圈的圆环形。载波发生电路产生固定频率的载波信号分别输出到光源驱动电路和二个相敏检波电路，所述载波信号通过光源驱动电路驱动光发射器发出载波调制光，经所述发射光纤束照射到位移反射面，随位移量变化的反射光经所述两路接收光纤束返回到二个光接收器。光接收器将光信号变为电信号，依次经各自的交流放大电路和带通滤波电路放大和滤波后，与所述载波信号一起输入各自的相敏检波电路进行精密检波，再通过各自的低通滤波电路得到随机型接收信号和同轴型接收信号，将这二个幅值解调信号一起输入除法器，其比值作为测量的位移信号。

本发明采用的光纤束探头与双束型、双同心圆型或半圆随机型等光纤排列形式相比，同轴随机型具有更小的探头直径，更大的线性范围和更高的灵敏度，且测量起始距离几乎为零。本发明通过对光进行载波调制和解调，消除了环境光等外界干扰信号的影响。通过对双通道接收信号的除法运算，消除了光源波动、反射面反射率和光纤传输损耗的影响。同时，也增大了线性范围，提高了灵敏度。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为光纤束探头端面的A向视图；

图3为锁定放大电路的结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

如附图所示，本发明的光纤束探头9由若干根相同的多模光纤紧密集束而成。探头后部分为三支，一支为发射光纤束，另二支为接收光纤束，在探头前端面上，光纤束排列为同轴随机型，即发射光纤束和一支接收光纤束随机排列成内圈的圆盘形，其中的接收光纤称为随机型接收光纤12；另一支接收光纤束排列成外圈的圆环形，其中的接收光纤称为同轴型接收光纤13。光纤束探头9采用不同数量的发射光纤11、随机型接收光纤12和同轴型接收光纤13，可以得到不同量程的位移传感器。

载波发生电路5产生固定频率的载波信号分别输出到光源驱动电路4和二个相敏检波电路16、16’，所述载波信号通过光源驱动电路4驱动光发射器3发出载波调制光，经所述发射光纤束照射到位移反射面10，随位移量变化的反射光经所述两路接收光纤束返回到二个光接收器1、2，光接收器1、2将光信号变为电信号，依次经各自的交流放大电路14、14’和带通滤波电路15、15’放大和滤波后，与所述载波信号一起输入各自的相敏检波电路16、16’进行精密检波，再通过各自的低通滤波电路17、17’得到随机型接收信号和同轴型接收信号，将这二个幅值解调信号一起输入除法器8，其比值作为测量的位移信号。

一个具体实施例如下：光纤束探头9由390根相同的玻璃光纤组成，每根光纤均为多模阶跃型，数值孔径0.63，直径50μm，包层厚度1.5μm。在探头前端面上，内圈由65根发射光纤11和65根接收光纤12随机紧密排列而成，外圈由260根接收光纤13同轴紧密包围内圈，外层套上一段不可弯曲的薄不锈钢管14。在探头后部，发射光纤束耦合至光发射器3，内圈的随机型接收光纤束耦合至光接收器1，外圈的同轴型接收光纤束耦合至光接收器2。光发射和接收器件均采用Agilent模块，光发射器为HFBR-1527，两个光接收器选用HFBR-2526。

Claims (1)

1、一种光纤束位移传感器，其特征在于：该位移传感器包括载波发生电路(5)、光源驱动电路(4)、光发射器(3)、光纤束探头(9)、二个光接收器(1、2)、二个锁定放大电路(6、7)和除法器(8)；锁定放大电路(6、7)包括依次相连的交流放大电路(14)、带通滤波电路(15)、相敏检波电路(16)和低通滤波电路(17)；光纤束探头(9)由多模光纤紧密集束而成，探头后部分为三支，一支为发射光纤束(11)，另二支分别为随机型接收光纤束(12)和同轴型接收光纤束(13)，在探头前端面上，发射光纤束(11)和随机型接收光纤束(12)随机排列为内圈的圆盘形，同轴型接收光纤束(13)排列为外圈的圆环形；载波发生电路(5)产生固定频率的载波信号分别输出到光源驱动电路(4)和二个相敏检波电路(16、16’)，所述载波信号通过光源驱动电路(4)驱动光发射器(3)发出载波调制光，经所述发射光纤束照射到位移反射面(10)，随位移量变化的反射光经所述两路接收光纤束返回到二个光接收器(1、2)，光接收器(1、2)将光信号变为电信号，依次经各自的交流放大电路(14、14’)和带通滤波电路(15、15’)放大和滤波后，与所述载波信号一起输入各自的相敏检波电路(16、16’)进行精密检波，再通过各自的低通滤波电路(17、17’)得到随机型接收信号和同轴型接收信号，将这二个幅值解调信号一起输入除法器(8)，其比值作为测量的位移信号。

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