CN108709506B - 一种光纤位移传感探头及光纤位移传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤位移传感探头及光纤位移传感系统，所述光纤位移传感探头包括一分束器、位于分束器入光侧的第一自聚焦透镜、位于分束器第一出光侧的反射镜，位于分束器第二出光侧的扩束准直透镜和位于分束器的分束面的反射出光路径上的第二自聚焦透镜。该光纤位移传感系统包括宽谱光源、扫频微波信号源、电光调制器、微波功分器、光纤位移传感探头、光电探测器、混频器、数据采集电路和计算机。本发明采用光纤位移传感探头为位移感应探头，整套系统的位移测量灵敏度可取决于系统所用扫频微波信号源的频率调节精度。本发明可对系统测量灵敏度进行实时调节，提高了位移测量精度。

Description

一种光纤位移传感探头及光纤位移传感系统

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，特别是涉及一种光纤位移传感探头及光纤位移传感系统。

背景技术

目前光纤位移传感器主要有光纤光栅，光纤法珀和光纤M-Z干涉仪等类型的传感器。这些位移传感器也都是用常用的光学解调方法来实现位移量的解调，光学解调方法具有精度高等特点，但也存在测量范围小，容易受环境因素干扰等缺点。目前光纤位移传感器主要有光纤法珀，光纤光栅和光纤荧光等类型的传感器。基于现有光纤位移传感器的上述缺陷，本领域技术人员亟需提供一种能够提高位移测量精度的光纤位移传感设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤位移传感探头及光纤位移传感系统，以提高位移测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种光纤位移传感探头，包括一分束器、位于所述分束器入光侧的第一自聚焦透镜、位于所述分束器第一出光侧的反射镜，位于所述分束器第二出光侧的扩束准直透镜和位于所述分束器的分束面的反射出光路径上的第二自聚焦透镜；

所述扩束准直透镜同时位于所述分束面的反射入光路径上，所述扩束准直透镜用于出射所述分束器的第二束光，并将所述第二束光照射在被测移动物上，同时接收经所述被测移动物的反射光束，并将所述反射光束聚焦至所述分束面，由所述分束面反射至所述第二自聚焦透镜。

可选的，所述光纤位移传感探头还包括箱体，所述箱体上设有固定所述第一自聚焦透镜的第一通孔，固定所述第二自聚焦透镜的第二通孔，和固定所述扩束准直透镜的第三通孔。

可选的，所述分束器设于所述箱体内部，所述反射镜设于所述分束器顶部，所述第二自聚焦透镜设于所述分束器底部。

可选的，所述扩束准直透镜为凸透镜。

本发明还提供了一种光纤位移传感系统，所述系统包括宽谱光源、在光的传播方向上依次设置的电光调制器、上述的光纤位移传感探头、光电探测器、混频器、数据采集电路和计算机；以及扫频信号源、与所述扫频信号源连接的微波功分器，与所述微波功分器的第二输出端连接的微波移相器，所述微波移相器的输出端连接所述混频器的本振输入端，将所述第二微波信号输入所述混频器；

所述光纤位移传感探头的第一出光侧对准被测移动物，所述光纤位移传感探头的分束面的反射出光路径接入所述光电探测器的入光口；

所述微波功分器的第一输出端与所述电光调制器的射频输入端连接，所述电光调制器将所述微波功分器输出的第一微波信号调制到光线上形成光载微波信号，所述光载微波信号经所述光纤位移传感探头后形成两路光程差不同的光载微波信号，所述两路光程差不同的光载微波信号经所述光电探测器后输入至所述混频器的射频输入端，所述混频器将所述两路光程差不同的光载微波信号与所述第二微波信号混频后的中频信号经低通滤波器滤波后的直流信号输入至所述数据采集电路，所述数据采集电路将所述直流信号不同幅值处的频率输入至所述计算机进行计算，得到被测移动物的位移。

可选的，所述电光调制器连接有调制器控制电路，所述调制器控制电路用于将所述电光调制器的工作点控制在输出正交点。

可选的，所述光纤位移传感系统还包括低噪放大器，所述低噪放大器设于所述光电探测器与所述混频器之间。

可选的，所述光纤位移传感系统还包括低通滤波器，所述低通滤波器设于所述混频器与所述数据采集电路之间。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的光纤位移传感探头及光纤位移传感系统采用光纤位移传感探头为位移感应探头，整套系统的位移测量灵敏度可取决于系统所用扫频微波信号源的频率调节精度以及光纤位移传感探头中分束器的边长。本发明可对系统测量灵敏度进行实时调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例1提供的光纤位移传感探头结构示意图；

图2为本发明的实施例2提供的光纤位移传感系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例1提供的光纤位移传感探头包括一分束器302、位于所述分束器302入光侧的第一自聚焦透镜301、位于所述分束器302第一出光侧的反射镜303，位于所述分束器302第二出光侧的扩束准直透镜304和位于所述分束器302的分束面的反射出光路径上的第二自聚焦透镜305；

所述扩束准直透镜304同时位于所述分束面的反射入光路径上，所述扩束准直透镜304用于出射所述分束器302的第二束光，并将所述第二束光照射在被测移动物上，同时接收经所述被测移动物的反射光束，并将所述反射光束聚焦至所述分束面，由所述分束面反射至所述第二自聚焦透镜305。

本实施例中，如图1所示，所述光纤位移传感探头还包括箱体306，所述箱体上设有固定所述第一自聚焦透镜301的第一通孔307，固定所述第二自聚焦透镜305的第二通孔308，和固定所述扩束准直透镜304的第三通孔309。图1中所述分束器302设于所述箱体306内部，所述反射镜303设于所述分束器302顶部，所述第二自聚焦透镜305设于所述分束器302底部。需要说明的是，本实施例中的扩束准直透镜304为凸透镜。

进入光纤位移传感探头的光由第一自聚焦透镜301入射到分束器302上，该分束器将入射光分成两路光，第一束光经分束器302上的反射镜303反射后进入第二自聚焦透镜305中，第二束光经扩束准直透镜304后照射到被测移动物的表面并经该表面反射再次照射到扩束准直透镜304并通过分束器302的分束面反射进入第二自聚焦透镜305中，当被测移动物发生位移时，第二自聚焦透镜305收集到的两路反射光之间的光程差将发生变化，因此可以通过分析两光载微波信号之间的干涉信号的变化来实现被测移动物的位移的测量。

实施例2：

如图2所示，本实施例2提供的光纤位移传感系统包括宽谱光源101、在光的传播方向上依次设置的电光调制器103、上述的光纤位移传感探头104、光电探测器106、混频器202、数据采集电路204和计算机205；以及扫频信号源108、与所述扫频信号源108连接的微波功分器109，与所述微波功分器109的第二输出端连接的微波移相器201，所述微波移相器201的输出端连接所述混频器202的本振输入端，将所述第二微波信号输入所述混频器202；

所述光纤位移传感探头104的第一出光侧对准被测移动物105，所述光纤位移传感探头104的分束面的反射出光路径接入所述光电探测器106的入光口；

所述微波功分器109的第一输出端与所述电光调制器103的射频输入端连接，所述电光调制器103将所述微波功分器109输出的第一微波信号调制到光线上形成光载微波信号，所述光载微波信号经所述光纤位移传感探头104后形成两路光程差不同的光载微波信号，所述两路光程差不同的光载微波信号经所述光电探测器106后输入至所述混频器202的射频输入端，所述混频器202将所述两路光程差不同的光载微波信号与所述第二微波信号混频后的中频信号经低通滤波器滤波后的直流信号输入至所述的数据采集电路204，所述数据采集电路204将所述直流信号不同幅值处的频率输入至所述计算机205进行计算，得到被测移动物105的位移。

具体的，所述扫频信号源108在进行每次频率调节时，发送触发信号给数据采集电路204以触发数据采集电路204进行直流信号采集，同时将扫描时的频率值传输至所述计算机205中，包含光程差信息的直流信号传输至所述计算机205中，计算机205根据微波信号源输出微波信号的频率值以及在该频率值下的直流输出来得到待测物体的位移。

具体使用该光纤位移传感系统时，所述电光调制器103还连接有调制器控制电路102，所述调制器控制电路102用于将所述电光调制器103的工作点控制在输出正交点。

作为一种可选的实施方式，所述光纤位移传感系统还包括低噪放大器107，所述低噪放大器107设于所述光电探测器106与所述混频器202之间，所述低噪放大器107用于处理经过光电探测器的两路光程差不同的光载微波信号。所述光纤位移传感系统还包括低通滤波器203，所述低通滤波器203设于所述混频器202与所述数据采集电路204之间，所述低通滤波器203用于处理所述混频器输出的中频信号。

本光纤位移传感系统的工作原理如下：

宽谱光源101输出的线偏振光入射到电光调制器103后进入光纤位移传感探头104中。进入光纤位移传感探头104的光由第一自聚焦透镜301入射到分束器302上，该分束器将入射光分成两路光，第一束光经分束器302上的反射镜303反射后进入第二自聚焦透镜305中，第二束光经扩束准直透镜304后照射到被测移动物的表面并经该表面反射再次照射到扩束准直透镜304并通过分束器302的分束面反射进入第二自聚焦透镜305中，由第二自聚焦透镜305收集的两路反射光进入光电探测器106中，电光调制器103通过其控制电路102来实现工作点的控制，本系统中电光调制器103需要工作在输出正交点处。扫频微波信号源108输出的微波信号经微波功分器109功分成第一微波信号和第二微波信号，第一微波信号进入电光调制器103的射频输入端，电光调制器103将第一微波信号调制到入射至电光调制器103中的线偏振光的光域上而产生光载微波信号，该光载微波信号经过光纤位移传感探头104后携带被测移动物105的位移信息并进入到光电探测器106中，该光电探测器106将光载微波信号变成位移微波信号，该位移微波信号经低噪放大器107放大后进入混频器202的射频输入端；微波功分器109输出的第二微波信号经微波移相器201后进入混频器202的本振输入端，微波移相器201可调节本振输入端输入的第二微波信号的相位；混频器202输出的中频信号经低通滤波器203后进入数据采集电路204中，数据采集电路204的数据通过计算机205来实现采集。当被测移动物105发生位移时，自聚焦透镜305收集到的两路反射光之间的光程差将发生变化，本实施例通过微波混频的方式传感该光程差的变化，并利用混频后的频谱计算被测移动物105的位移。

本传感系统的位移测量原理是：

扫频微波信号源输出的微波信号可表示为：

V_out(t)＝Vcos2πf_mt (1)

其中V为微波信号的幅度，f_m为微波信号的频率。该微波信号通过电光调制器加载到光上，该微波信号对电光调制器内传输的光的相位产生的变化为：

其中V_π为电光调制器的半波电压，V_DC为电光调制器的直流偏置电压。宽谱光源的激光器输出的光经电光调制器调制后，输出光强可表示为：

上式中ξ为光路的损耗，I₀为宽谱光源输出的光强，该输出光信号经过光纤位移传感探头后分为两路光，一路光的光程是固定的，另一路光的光程是随着待测物体位移d发生变化而实时改变的，可分别表示为：

式中Δφ₁和Δφ₂为光载微波信号经过光纤位移传感探头后产生的相位变化量，分别表示为：

Δφ₁＝4πf_mnl₁/c (6)

Δφ₂＝4πf_mn(d+l₁)/c (7)

上式中c为光速，n为光纤折射率，l₁为分束器边长的一半，d为待测物体距离分束器第二出光面的距离。则高速光电探测输出的光电流经负载后转化成的电压,该信号携带位移信息并进入混频器的射频信号输入端，可表示为：

上式中A为由光强变成输出电压的转换系数。信号源功分的另一路本振信号进入一移相器，调节该移相器使得该本振信号为：

V_LO＝Bcos(2πf_m) (9)

上式中B为本振信号的幅度。携带位移信息的射频信号与本振信号通过混频器进行混频，混频器的输出可表示为：

由上式可以看到在测量时，改变信号源的频率，混频器的输出会出现随频率变化的周期性的电压信号，该周期性信号相邻两最低点或最高点之间的频率间隔为一个周期，假设两相邻最低点频率分别为f₁和f₂则根据式(10)就可以得到待测物体距离分束器第二出光面的距离为：

当待测物体位移发生变化时，低通滤波器输出的直流所对应的两个波谷的频率值也发生变化，假设待测物体在位置d₁时数据采集卡得到的两相邻波谷的频率差为Δf₁，物体发生位移后其所处位置为d₂，此时数据采集卡得到的两相邻波谷的频率差为Δf₂，则物体的位移可表示为

可以看到，待测信号与混频器输入信号的幅度无关，只跟信号源的频率扫描精度有关，而两者的频率精度都可达1Hz,这就消除了传统的微波混频受输入信号幅度波动对测量结果的影响。由于分束器的边长是固定的，因此根据式(12)就能得到待测物体的绝对位移量。

本光纤位移传感系统的工作流程如下：

1、上电后，调制器控制电路通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。调制器工作点确定后，记录数据采集电路输出的微波信号的任意两相邻波谷的频率并计算频率差。

2、上电后，电光调制器的调制器控制电路通过程序自动控制强度型电光调制器工作在线性工作点。电光调制器工作点确定后，记录数据采集电路输出的微波信号的任意两相邻波谷的频率并计算频率差；

3、当待测移动物发生位移时，此时数据采集电路测量到的微波信号的波谷所在的频率将发生变化，根据当前测量得到的微波信号的波谷对应的频率值根据式(12)就可以得到待测物体的位移值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种光纤位移传感系统，其特征在于，所述系统包括宽谱光源、在光的传播方向上依次设置的电光调制器、光纤位移传感探头、光电探测器、混频器、数据采集电路和计算机；以及扫频信号源、与所述扫频信号源连接的微波功分器，与所述微波功分器的第二输出端连接的微波移相器，所述微波移相器的输出端连接所述混频器的本振输入端，将第二微波信号输入所述混频器；

所述光纤位移传感探头的第一出光侧对准被测移动物，所述光纤位移传感探头的分束面的反射出光路径接入所述光电探测器的入光口；

所述微波功分器的第一输出端与所述电光调制器的射频输入端连接，所述电光调制器将所述微波功分器输出的第一微波信号调制到光线上形成光载微波信号，所述光载微波信号经所述光纤位移传感探头后形成两路光程差不同的光载微波信号，所述两路光程差不同的光载微波信号经所述光电探测器后输入至所述混频器的射频输入端，所述混频器将所述两路光程差不同的光载微波信号与所述第二微波信号混频后的中频信号经低通滤波器滤波后的直流信号输入至所述数据采集电路，所述数据采集电路将所述直流信号不同幅值处的频率输入至所述计算机进行计算，得到被测移动物的位移；

所述光纤位移传感探头包括一分束器、位于所述分束器入光侧的第一自聚焦透镜、位于所述分束器第一出光侧的反射镜，位于所述分束器第二出光侧的扩束准直透镜和位于所述分束器的分束面的反射出光路径上的第二自聚焦透镜；

所述扩束准直透镜同时位于所述分束面的反射入光路径上，进入光纤位移传感探头的光由所述第一自聚焦透镜入射到分束器上，所述分束器将入射光分成两路光，第一束光经所述分束器上的反射镜反射后进入第二自聚焦透镜中，所述扩束准直透镜用于出射所述分束器的第二束光，并将所述第二束光照射在被测移动物上，同时接收经所述被测移动物的反射光束，并将所述反射光束聚焦至所述分束面，由所述分束面反射至所述第二自聚焦透镜；

所述电光调制器连接有调制器控制电路，所述调制器控制电路用于将所述电光调制器的工作点控制在输出正交点；

所述光纤位移传感系统还包括低噪放大器，所述低噪放大器设于所述光电探测器与所述混频器之间。

2.根据权利要求1所述光纤位移传感系统，其特征在于，所述光纤位移传感探头还包括箱体，所述箱体上设有固定所述第一自聚焦透镜的第一通孔，固定所述第二自聚焦透镜的第二通孔，和固定所述扩束准直透镜的第三通孔。

3.根据权利要求2所述光纤位移传感系统，其特征在于，所述分束器设于所述箱体内部，所述反射镜设于所述分束器顶部，所述第二自聚焦透镜设于所述分束器底部。

4.根据权利要求1所述光纤位移传感系统，其特征在于，所述扩束准直透镜为凸透镜。