一种用于转镜式高速相机转速传感器的光耦合器的制作方法

本发明属于光耦合器和光纤传感器领域，涉及转镜式高速相机转速传感器光耦合领域，具体提供一种用于转镜式高速相机转速传感器的光耦合器。

背景技术：

转镜式高速相机用于实现高速运动物体或瞬变流逝现象的记录，使高速过程的发生、发展和运动规律等清晰地展现在人们的面前；它具有较高的空间分辨率和时间分辨本领、运行稳定、操作简单、与被摄目标准确同步等优势；因此它在高速摄影仪器中起到了至关重要的作用，被广泛应用于高压物理、爆炸力学、实验室等离子体以及激光光谱学和新型激光光源的研究。为了获取高精度的条纹摄影相机、分幅摄影相机拍摄频率和为分析被摄事件发展过程提供空间和时间数据，则需要精确地测量拍摄时转镜旋转一周的时间间隔、扫描速度及其它的相关信息参量。

但是采用传统的激光器—光纤—高速转镜—光纤—探测器结构的测量传感器，在激光光路的传输过程，接收端的光纤不能将发送端传来的信号激光很好的耦合，导致耦合效率极低。由于转镜式高速相机在高速运行时的震动十分剧烈，发送端和接收端的信号光纤也会随着相机的高速运行发生甩动，而传感器中所用的信号传递光纤为几十微米，且光纤的接收端面通常较小，这加大了对准光纤的难度，同时也会导致漏光等弊端。另外，转镜透平在拆卸过程中,机械安装定位孔的大小有1～2mm的空间间隙，转镜透平不同的安装定位可引起目标信号激光在转镜反射面的反射角度发生偏移。以上的原因都可能导致高速转镜在运行时，激光发送端模块发送的激光经转镜反射以后很难耦合进入接收端的光纤中，降低耦合效率，从而导致传感器测量高速相机转速、周期和其他相关参量的测量精度出现较大的误差，造成极严重的像漂移现象。正因为较低的信号激光耦合效率，则必须采用大功率的激光器，以使接收端尽可能的探测到信号激光；但大功率的激光器会产生大量的热量，所以在实际工程应用中应尽量避免使用大功率激光器作为信号激光源。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高耦合效率的用于转镜式高速相机转速传感器的光耦合器以及配套使用的转镜式高速相机转速传感器，用以改善由于高速相机震动、传输光纤甩动、传输光纤接收端面过窄和转镜透平安装误差所引起的接收端光纤激光耦合效率过低的问题；使转速传感器的发送端可采用功率较低的激光器，同时提高高速转镜测量传感器的周期、转速和其他相关参量的测量精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于转镜式高速相机转速传感器的光耦合器，所述光耦合器由导光锥和光纤熔合而成，其特征在于，所述导光锥呈倒圆台形、其下底面与光钎熔合、上底面接收信号激光。

进一步的，所述导光锥上底面和下底面的直径比为2:1至10:1之间。

所述导光锥采用石英材料。

包含上述光耦合器的转镜式高速相机转速传感器，包括激光发送端模块、高速转镜、光耦合器和光接收端模块，所述激光发送端模块发送激光经过高速转镜反射后进入光耦合器，光耦合器将接收信号激光送入接收端模块进行信号处理。

进一步的，所述高速转镜包括高速电机和转镜，所述转镜采用表面镀铝和背面漫反射的处理方式。

需要说明的是，所述导光锥呈倒圆台形，则其上底面指直径大的底面、下底面指直径小的底面。所述激光发送端模块发射激光为固定波长、固定功率，可添加激光电流、功率监测电路保证激光输出稳定性。

本发明的主要工作原理是运用导光锥的导光特性保证信号激光输入的可实现性和有效性，以提高信号激光的耦合效率，提高高速转镜转速传感器的测量精确度。其工作原理如图1所示，激光发送端作为系统的信号源输出稳定的连续激光，激光的波长和功率都稳定在一固定的数值范围内，由发送端的监测电路对发送端的电流和功率进行实时控制；输出的信号激光在高速的转镜面进行反射，由于高速相机转镜转速的不同，反射的信号激光会在接收端的电处理模块时所表现出的测量数据有所差别；经转镜反射的信号激光耦合进入接收端的光纤导光锥。

如图2所示，由于信号激光经转镜反射后进入光纤导光锥，所以信号激光进入导光锥端面时和光锥的主光轴之间存在一定的角度α，且α的角度越大，耦合的效果就越差。由于信号激光由光锥导入光纤，所以激光束的入射角经导光锥到达光纤端面时角度也会发生改变；信号激光在导光锥内部会进行多次全反射后，最终耦合进入光纤内；光纤再将耦合后的信号激光输送至接收端的电信号处理模块进行一系列的测量和技术处理。图2中，m为信号激光在光锥内的反射次数；θ为经过导光锥内表面反射后到达光纤端面信号激光相对于光纤轴线的角度误差；θ的值可由以下公式计算得出：

θ＝α+(2m-1)σ

其中，σ为导光锥顶角角度的一半。

由于光纤的直径为微米量级，所以使用传统的光纤准直器很难保证发送端的信号激光能高效率的耦合进接收端的光纤，从而导致转镜式高速相机转速传感器不能准确地测量转镜的转速。本发明中光纤导光锥将信号激光较好的耦合进入了接收端的传输光纤，所以经转镜反射的激光与接收端的光纤即使存在一定的偏差角度，任然能够高效率的耦合进入接收端的传输光纤；本发明中的信号激光任然能够高效率的耦合进入接收端的传输光纤，使接收端能准确地分析高速转镜的各项状态参量。

本发明的有益效果在于：

1)本发明采用新型光纤导光锥结构，将高速转镜反射的信号激光高效的耦合进入接收端；克服了由于高速转镜震动、传输光纤甩动、高速转镜透平安装误差和传输光纤过细、接收端面过窄而导致的接收端光纤信号激光的耦合效率极低的缺点；在很大程度增加了信号激光的耦合效率，从而提高了高速转镜转速传感器的相关测量精度，减少了高速相机的像漂移。

2)由于增强了接收端信号激光的耦合效率，所以在激光发射端的信号激光器可以采用较低的功率激光器代替，提高了高速相机测量传感器电路的安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明光纤耦合器系统示意图。

图2为本发明光纤导光锥光路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种高耦合效率的用于转镜式高速相机转速传感器的光耦合器，它可以有效的改善由于高速相机震动、传输光纤甩动、传输光纤接收端面过窄和转镜透平安装误差所引起的接收端光纤激光耦合效率过低的问题；提高高速转镜测量传感器的周期、转速和其他相关参量的测量精度。

本实施例提供一种用于转镜式高速相机转速传感器的光耦合器，包括激光发送端模块、高速转镜、光纤导光锥结构和接收端模块；所述激光发送端模块主要负责发送特定固定波长、固定功率的激光；所述高速转镜包括高速电机和转镜；所述光纤导光锥结构主要由导光锥和光纤两部分熔合而成；所述导光锥采用石英材料构成、呈倒圆台形，用来将信号激光准确导入光纤中；所述接收端用于接收经高速转镜反射的信号激光并进行相应的信号处理。其目的是提供一种光耦合效率较高、发射激光功率较低、适应各种高速转镜测量环境的高效率光纤耦合器。

参考图1和图2，本发明的高速相机光纤耦合器采用GSJ型高速相机；高速转镜工作转速在3万转/分至30万转/分，其旋转周期在200微秒至2000微秒之间；激光器采用最大发射功率为200毫瓦，发射波长为808纳米的尾纤激光器；光纤跳线采用纤芯直径为62.5微米；光纤导光锥采用石英材料制作，其上底面和下底面的直径比为5:1。如表1所示，为发送端入射激光与接收端光纤导光锥主光轴不同夹角情况下信号激光的耦合效率的测试；调整发送端信号激光和光纤导光锥结构主光轴的夹角分别为0°、0.5°、1°、2°、3°、4°、5°，在静止光纤和甩动光纤的情况下测得信号激光耦合效率的大小。考虑高速转镜震动、传输光纤甩动、高速相机透平安装误差在内所导致的信号激光与接收光纤角度和距离偏差，在光纤耦合器上信号激光垂直光锥接收角度偏差少于5°、光纤耐受弯折的能力范围内，转镜式高速相机高速运行时信号激光的耦合效率达到60％以上。由此提高了高速转镜转速传感器的相关测量精度，减少了高速相机的像漂移；由于增强了接收端信号激光的耦合效率，所以在激光发射端的信号激光器可以采用较低的功率激光器代替，提高了高速相机测量传感器电路的安全性和稳定性。

表1

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。