CN202471007U - 一种光纤传感微距测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种光纤传感微距测量系统，包括光源、光探测器、传感器探针、反射单元、无线发射模块、无线接收模块、处理模块；所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器；所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，经处理后，通过无线发射模块、无线接收模块发送至处理模块；所述处理模块根据光探测器接收的光信号大小与光纤端面至反射面的距离存在的设定函数关系测量距离。通过本实用新型光纤传感微距测量系统，可工作在野外比较恶劣的环境，长时间工作，实现微小距离或物体位移的无人监测并预警。本系统可用于测量大型液压芯筒距离变化，并且可随时监测距离的变化，既解放了人力，又提高了工作效率。

Description

一种光纤传感微距测量系统

技术领域

本实用新型属于测试测量技术领域，涉及一种微距测量系统，特别涉及一种光纤传感微距测量系统。

背景技术

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

按照传感器用途分类，传感器可分为：压力敏和力敏传感器位置传感器、液面传感器能耗传感器、速度传感器加速度传感器、射线辐射传感器热敏传感器、24GHz雷达传感器等。

传感器有两个比较重要的特性：传感器静态特性、传感器动态特性。

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

(1)线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

(2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。

(3)迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

(4)重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

(5)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。

所谓动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

由于传感器的上述特点，传感器已经在大量应用于各个领域。如距离测试领域。传统的距离测试，一般选择米尺或者游标卡尺等长度计量工具，但测试精度不高，测试费时费力，工作效率低，甚至会影响工作或工程的进度。在此情况下，出现了一种基于光纤传感原理的距离测量仪器，利用激光，来测量长度，精度高，使用方便。然而，现有的基于光纤传感原理的距离测量仪器在某些人接触不到的场所无法测量。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决光纤传感微距测量系统在距离测量中存在的问题。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种光纤传感微距测量系统，包括光源、光探测器、传感器探针、反射单元、无线发射模块、无线接收模块、处理模块；所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器；所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，经处理后，通过无线发射模块、无线接收模块发送至处理模块；所述处理模块根据光探测器接收的光信号大小与光纤端面至反射面的距离存在的设定函数关系测量距离。

在本实用新型的一个实施例中，所述传感器探针包括一根单模光纤、一根或多根多模光纤；所述光源发射出来的光经由单模光纤传至反射单元，在反射单元产生反射，反射光被所述一根或多根多模光纤接收，接收的光信号经由多模光纤传至光探测器。

其中，所述单模光纤与光源连接，多模光纤与光探测器连接；传感器探针通过机械部件固定在传感器探头内。所述一根或多根多模光纤与所述单模光纤平行。

在本实用新型的一个实施例中，所述传感器探头一端封装平行的一根单模光纤和至少一根多模光纤，成为一个探针。

其中，所述传感器探头另一端的一根或多根多模光纤和一光探测器封装耦合，单模光纤的另一端熔接一FC/APC光纤连接头；

在本实用新型的一个实施例中，所述光源为1550nm DFB激光器；所述光探测器为PIN光电二极管；所述处理模块为计算机。

在本实用新型的一个实施例中，所述系统还包括光纤耦合器，分别连接光源、光探测器、传感器探针。

通过本实用新型提出的光纤传感微距测量系统，结合无线发射和无线接收装置，可以工作在野外比较恶劣的环境，长时间工作，实现微小距离或物体位移的无人监测并预警。可以用于测量大型液压芯筒距离变化，从而代替传统的游标卡尺测量，并且可随时监测距离的变化，既解放了人力，又提高了工作效率；也可以广泛应用于大坝，铁轨等可能发生位置微小偏移的场所，时刻监测大坝和铁轨位置的变化，对保护人民生命和财产安全能起到巨大的作用，并产生巨大的社会效益和经济效益。

由于系统包括光源、光探测器和传感器探针，传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器；当探针与反射镜表面的距离发生变化时，光探测器接收的光功率将相应发生变化。根据变化的功率值和对应的光纤端面到反射镜的距离可以确定长度的变化值。经过信号处理以后，由无线发射装置发出，无线接收装置接收，在电脑上显示。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为光纤传感微距测量系统组成框图；

图2为光信号的传输示意图；

图3为光纤传感装置的光路示意图；

图4为光纤传感器探头部分的结构示意图；

图5为传感器探针中光路的反射示意图；

图6为光纤端面至反射面的距离d与反射光功率曲线示意图；

图7为反射率曲线示意图；

图8为光纤传感器控制盒的结构示意图；

图9为光纤传感微距测量系统的组成示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型的主要创新之处在于，本实用新型创新地提出了新型的光纤传感微距测量系统，可以适用于野外比较恶劣的环境，在远端实时对微小距离的无人监控并预警。

请参阅图1，本实用新型揭示一种光纤传感微距测量系统，该系统包括传感装置10、无线发射模块20、无线接收模块30、处理模块40。传感装置10包括光源11、光探测器14、传感器探针17、反射单元15。本实施例中，所述光源11为1550nm DFB激光器，所述光探测器14为PIN光电二极管，所述反射单元15为反射镜，所述处理模块40为计算机。

所述传感器探针17包括一根单模光纤12、一根或多根多模光纤13；所述一根或多根多模光纤13与所述单模光纤12平行。所述单模光纤12与光源11连接，多模光纤13与光探测器14连接。

请继续参阅图1，本实用新型系统的作用过程为：所述光源11发射出来的光经由单模光纤12传至反射单元15，在反射单元15产生反射，反射光被所述一根或多根多模光纤13接收，接收的光信号经由多模光纤13传至光探测器14。所述光电探测器14将接收到的光信号转换为电信号，经处理后，通过无线发射模块20、无线接收模块30发送至处理模块40。所述处理模块40根据光探测器14接收的光信号大小与光纤端面至反射面的距离存在的设定函数关系进行距离测量，并在设定条件发生后发出预警信号。

请参阅图2，图2揭示了光信号在光路中的传输方向，其中从光源11发出的1550nm光信号沿着单模光纤12传输，被安装在光纤传感器探头内的光学反射镜15反射，反射回来的激光被多模光纤13接收，然后传输至光探测器14。所述系统还包括光纤耦合器16，分别连接光源11、光探测器14、传感器探针17。光源11发出来的光信号沿单模光纤传输至反射镜，产生反射，反射光被多模光纤13的端面接收，再沿着多模光纤传输至光探测器14。

请参阅图3，图3为光纤传感装置的光路示意图，单模光纤12和多模光纤13的一个端面是平行的；另一端，单模光纤12与光源11耦合，多模光纤13与光探测器14耦合。单模光纤和多模光纤的一端与反射镜的距离产生变化，光探测器接收反射光的功率大小也将产生变化。

请参阅图4，传感器探针17通过机械部件固定在传感器探头内；传感器探头包括传感器探针17、反射镜以及机械部件等，所述机械部件包括滑块、传动杆、精密弹簧等。传动杆的一端受到压力作用的时候，能够在滑块上自由移动，从而固定在另一端的反射镜也跟着移动，改变反射镜与传感器探针的距离。传感器探针固定在光纤连接器上，与固定在传动杆端面上的反射镜在一条水平线上，从而实现探针和反射镜的对接。光学反射镜15通过粘胶固定在传动杆的一端，反射镜表面镀铝或镀银，对波长为1550nm的激光反射率大于99％。

本实施例中，所述传感器探头的一端封装平行的一根单模光纤和至少一根多模光纤，成为一个探针；所述传感器探头另一端的一根或多根多模光纤和一光探测器封装耦合，单模光纤的另一端熔接一FC/APC光纤连接头。

请参阅图5，图5为光纤传感器探针的示意图。传感器探针内封装有一根单模光纤和至少一根多模光纤，当从光源发出的光信号沿单模光纤传输至反射镜时产生反射，反射回来的光进入多模光纤，由于多模光纤的芯径比较大，能够接受更多的反射光信号，反射光信号在多模光纤传输，最终被光探测器接收。当入射光光功率一定时，光探测器接收的反射光功率的大小与d成一定的函数关系。

请参阅图6，图6为光纤端面和反射镜表面两者之间的距离d与反射光功率的关系曲线，若数据做好校准以后，根据光探测器接收的光功率值，可以得到光纤端面至反射镜的距离值，从数据和曲线能看出，能够达到的精度是微米数量级，利用这个规律，可以很精确的测量出长度。

请参阅图7，图7为输入光功率为3mw、5mw、7mw时反射率曲线，反射镜的表面反射率由反射表面的镀膜材料决定。

可通过调节位移平台旋转螺丝，使得图4中探头传动杆将前后移动，从而使传动杆的另一端的反射镜与光纤端面的距离发生变化，然后根据光功率的值的变化，得到位移变化的距离；在实际测量中，传感器探头的传动杆另一端与需要测试的物体接触，若待测物发生位移，从而使传动杆位置发生变化，导致传动杆另一端的反射镜与光纤端面距离变化，得到了物体实际移动的距离。

如图8所示，图8为光纤传感器控制盒，做成产品以后，光源、光探测器、电源、电路控制部分、无线发射装置等都放置在盒内，包括1550nm激光器、PIN光电二极管、9V可充电电池，以及电路部分等都集成封装在盒内。

请参阅图9，图9为光纤传感微距测量系统的电路流程图，包括激光器的驱动，光信号的接受和信号处理等部分。MCU连接电源EM I处理模块、激光器驱动模块、ZIGBEE无线发送模块，激光器驱动模块、激光器、测量PD传感器组、高精度放大模块、RC低通滤波模块、MCU依次连接，ZIGBEE无线发送模块、ZIGBEE无线接收模块、计算机依次连接。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种光纤传感微距测量系统，其特征在于，包括光源、光探测器、传感器探针、反射单元、无线发射模块、无线接收模块、处理模块；

所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器；

所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，经处理后，通过无线发射模块、无线接收模块发送至处理模块；

所述处理模块根据光探测器接收的光信号大小与光纤端面至反射面的距离存在的设定函数关系测量距离。

2.如权利要求1所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，所述传感器探针包括一根单模光纤、一根或多根多模光纤；所述光源发射出来的光经由单模光纤传至反射单元，在反射单元产生反射，反射光被所述一根或多根多模光纤接收，接收的光信号经由多模光纤传至光探测器。

3.如权利要求2所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，所述单模光纤与光源连接，多模光纤与光探测器连接；传感器探针通过机械部件固定在传感器探头内。

4.如权利要求2所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，所述一根或多根多模光纤与所述单模光纤平行。

5.如权利要求1所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，所述传感器探头一端封装平行的一根单模光纤和至少一根多模光纤，成为一个探针。

6.如权利要求5所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，所述传感器探头另一端的一根或多根多模光纤和一光探测器封装耦合，单模光纤的另一端熔接一FC/APC光纤连接头。

7.如权利要求1至6之一所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，所述光源为1550nm DFB激光器。

8.如权利要求1至6之一所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，所述光探测器为PIN光电二极管。 

9.如权利要求1至6之一所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，所述处理模块为计算机。

10.如权利要求1至6之一所述的光纤传感微距测量系统，其特征在于，还包括光纤耦合器，分别连接光源、光探测器、传感器探针。 

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