专利名称：基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于轴向研磨保偏光纤光栅传感的微位移检测方法及装置。属于
光纤轴向研磨及保偏光纤光栅传感技术领域，适用于高精度的微位移检测领域。
背景技术：
光纤光栅传感具有一般光纤传感器的所有优点，比如抗电磁干扰，尺寸小，重量 轻，传输距离远，耐腐蚀和易弯曲等，它作为敏感元件的传感器，可对应力、温度、压力、加速 度、折射率、扭矩、位移、液体浓度、电磁等参量进行单独或多参量同时传感，因此有着非常 广阔的发展前景。 温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的两个基本物理量，它们构成了其它物 理量传感测量的基础，光纤光栅传感器检测温度和应变的机理是光栅有效折射率或光栅周 期的变化引起光栅中心反射波长的变化，通过检测反射波长的偏移量，即可获得相应的应 变及周围温度的变化。其它各种物理量都是以光纤光栅的应变、温度传感为基础间接衍生 出来的，其中，光纤布拉格光栅用作微位移检测时，一般使用利用悬臂梁和简支梁结构的位 移应变传感器，二者原理相似都是先利用粘贴在悬臂梁或简支梁上的光栅对梁上的不同 点进行应变测量，再经过换算得到实际的应变和位移结果。这种方法结构简单，线性好， 但是难以消除温度和应变的交叉敏感问题，为了消除环境温度对位移传感的影响，李丰丽 等人提出了利用双光纤布拉格光栅的悬臂梁结构设计，此方法见于李丰丽，钟金刚，张永 林.双FBG位移测量系统[J].传感器技术.2003,22(10) :60-61.。此方法中，当环境温 度变化时，对光纤光栅FB^和FBG2布拉格波长的影响是相同的，因此可以通过双反射光谱 检测消除环境温度对位移传感的影响，但这种结构需在梁的两侧分别粘贴光纤光栅，增加 了结构的复杂度。这两种情况还存在共同的问题由于梁结构自身误差难以消除以及光纤 光栅的粘贴质量无法保证，导致悬臂梁或简支梁自由端的应变在转化为光纤光栅的应变时 有一定的损失，从而导致位移测量精度较低。
发明内容
提供一种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测方法及装置，克服了传统的光 纤光栅位移传感装置测量精度低，温度因素干扰大的问题。 本发明解决其技术问题采用的技术方案是一种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微 位移检测装置，该装置包括，宽带光源、耦合器、光纤研磨机、保偏光纤、保偏光纤光栅、放置 光纤用的微晶玻璃、定位基准块、底板、光谱仪等。 所述宽带光源与耦合器的第一端连接，耦合器的第二端与保偏光纤的一端连接， 耦合器的第三端与光谱仪的输入端连接。 保偏光纤光栅置于放置光纤用的微晶玻璃的V型刻槽中，并粘贴在V型刻槽壁上。
将定位基准块放置在放置光纤用的微晶玻璃的前侧或后侧，固定在底板上。
研磨块置于保偏光纤光栅的正上方，研磨块与保偏光纤光栅不接触。
放置光纤用的微晶玻璃上的V型刻槽的V型夹角为直角，V型刻槽的槽宽等于保
偏光纤外径的2^倍。 定位基准块的高度为放置光纤用的微晶玻璃高度与光纤半径之和。 放置在V形刻槽内的保偏光纤慢轴方向垂直于水平面。 保偏光纤光栅采用均匀光纤光栅或啁啾光纤光栅。 —种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测方法，检测步骤 步骤一，将基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置放置在被测物上，放置
光纤用的微晶玻璃的凸出部分与被测物上表面紧密接触； 步骤二，将定位传感器接触点放置在保偏光纤光栅的光栅段的两端，启动光纤研 磨机，同时加入研磨泥浆进行研磨，当定位传感器接触点到达定位传感器时，研磨块反向移 动； 步骤三，当研磨块接触到定位基准块时，研磨停止； 步骤四，研磨结束后，利用光谱仪对保偏光纤光栅双反射光谱的中心波长差进行 记录； 步骤五，将记录的波长差数据导入计算机，计算机内存储有之前在相同实验基础
上得到的波长差_位移拟合曲线，将得到的中心波长差代入曲线中，即得到位移结果。 该装置实现微位移检测的原理本装置使用保偏光纤，光纤中两个正交的偏振模
的相位传播常数差别很大，导致快慢轴有效折射率不同，因而对应的光栅反射波长也不同，
形成两个反射波峰，被测物在外力作用下向上移动时，放置光纤用的微晶玻璃将会移动相
同的位移量，保偏光纤高出定位基准块部分的高度与此位移量相等，当被测物停止运动后，
光纤研磨机启动，研磨块开始对保偏光纤光栅段进行研磨，接触到定位基准块时，研磨停
止，这时，被研磨掉光纤部分的厚度即为被测物的位移量。由于在慢轴方向进行光纤研磨，
此方向对应的折射率会发生改变，导致反射光谱发生漂移，通过对双反射谱波长差的检测，
实现对被测物位移量的检测。 本发明的有益效果本发明利用保偏光纤光栅具有双反射光谱的性质，所以测量 量为波长间隔，对测量的绝对精度不作要求，这将给其应用带来非常大的便利；而且使用光 谱仪进行波长差的解调，提高了测量精度；两峰的中心波长间隔受温度影响极小，为保证测 量精度创造了有利条件；使用高精度光纤研磨机，保证了研磨精度。最终的位移测量精度为 0. Ol践
图1基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置示意图
图2基准块定位下的光纤研磨部分放大右视图 图中，宽带光源10、耦合器20、光纤研磨机30、保偏光纤光栅40、放置光纤用的微 晶玻璃50、定位基准块51、底板52、光谱仪60、计算机61，其中光纤研磨机30包括传送带 31、定位传感器接触点32、定位传感器33、注入研磨泥浆34、固定在传送带上的研磨块支撑 架35、研磨块36。
具体实施方式
实施例一 —种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置，见图1、2。该装置包括，宽带 光源10、耦合器20、光纤研磨机30、保偏光纤光栅40、保偏光纤41、放置光纤用的微晶玻璃 50、定位基准块51、底板52、光谱仪60。 所述宽带光源10与耦合器的第一端1连接，耦合器的第二端2与保偏光纤41的 一端连接，耦合器的第三端3与光谱仪60的输入端连接。 保偏光纤光栅40置于放置光纤用的微晶玻璃50的V型刻槽中，并粘贴在V型刻
槽壁上。 将定位基准块51放置在放置光纤用的微晶玻璃50的前侧或后侧，固定在底板52 上。 研磨块36置于保偏光纤光栅40的正上方，研磨块36与保偏光纤光栅40不接触。
放置光纤用的微晶玻璃50上的V型刻槽的V型夹角为直角，使用光纤直径为 125 ii m的保偏光纤，V型刻槽的槽宽等于176. 75 y m。 定位基准块51的高度为放置光纤用的微晶玻璃50高度与光纤半径之和。 放置在V形刻槽内的保偏光纤41慢轴方向垂直于水平面。 保偏光纤光栅40采用均匀光纤光栅或啁啾光纤光栅。 —种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测方法，其检测步骤 步骤一，将基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置放置在被测物上，放置
光纤用的微晶玻璃50的凸出部分与被测物上表面紧密接触； 步骤二，将定位传感器接触点33放置在保偏光纤光栅40的光栅段的两端，启动光 纤研磨机30，同时加入研磨泥浆进行研磨，当定位传感器接触点33到达定位传感器32时， 研磨块36反向移动； 步骤三，当研磨块36接触到定位基准块51时，研磨停止； 步骤四，研磨结束后，利用光谱仪60对保偏光纤光栅40双反射光谱的中心波长差 进行记录； 步骤五，将记录的波长差数据导入计算机61，计算机61内存储有之前在相同实验 基础上得到的波长差_位移拟合曲线，将得到的中心波长差代入曲线中，即得到位移结果。
本发明中使用宽带光源的工作波长范围为1530 1570nm，保偏光纤的直径为 125iim，保偏光纤光栅长度为llcm，其快轴方向的中心波长是1552. 418nm，带宽0. 161nm， 慢轴方向的中心波长是1552. 712nm，带宽0. 162nm。随着慢轴方向研磨厚度的加深，其 中心波长向短波方向移动，研磨结束时慢轴方向的中心波长是1552. 526nm，由于温度 等因素的影响，研磨结束时快轴方向的中心波长是1552.381nm。中心波长差AA = 1552. 526-1552. 381 = 0. 145nm，将波长差导入计算机61，计算机61内存储有之前在相同实 验基础上得到的波长差-位移拟合曲线，将得到的中心波长差代入曲线中，即得到被测物 位移量40. 901 iim。
实施例二 —种基于轴向研磨保偏啁啾光纤光栅的微位移检测装置。其各部分的安装与连接 与实施例1不同的是传感用光纤光栅换作啁啾光纤光栅。
基于轴向研磨保偏均匀光纤光栅的微位移检测方法与实施例1相同。 本实施例中使用宽带光源的工作波长范围为1530 1570nm，保偏啁啾光纤光栅
长度为12cm，其快轴方向的中心波长是1552. 502nm，带宽2. 912nm，慢轴方向的中心波长是
1552. 831nm，带宽2. 879nm。随着慢轴方向研磨厚度的加深，其中心波长向短波方向移动，研
磨结束时慢轴方向的中心波长是1552. 736nm，由于温度等因素的影响，研磨结束时快轴方
向的中心波长是1552. 490nm。中心波长差A A = 1552. 736-1552. 490 = 0. 246nm，将波长
差导入计算机61，计算机61内存储有之前在相同实验基础上得到的波长差_位移拟合曲
线，将得到的中心波长差代入曲线中，即得到被测物位移量21.200ym。 本发明使用的研磨机为授权公告号CN 100455410C，发明名称光纤轴向磨抛厚
度精确控制方法及装置的研磨机。其他器件为选购。
权利要求
一种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置，其特征是该装置包括，宽带光源(10)、耦合器(20)、光纤研磨机(30)、保偏光纤光栅(40)、保偏光纤(41)、放置光纤用的微晶玻璃(50)、定位基准块(51)、底板(52)、光谱仪(60)；所述宽带光源(10)与耦合器的第一端(1)连接，耦合器的第二端(2)与保偏光纤光栅(40)的一端连接，耦合器的第三端(3)与光谱仪(60)的输入端连接；保偏光纤光栅(40)置于放置光纤用的微晶玻璃(50)的V型刻槽中，并粘贴在V型刻槽壁上；将定位基准块(51)放置在光纤放置用微晶玻璃(50)的前侧或后侧，固定在底板(52)上；研磨块(36)置于保偏光纤光栅(40)的正上方，研磨块(36)与保偏光纤光栅(40)不接触。
2. 根据权利要求1所述的一种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置，其特征 是放置光纤用的微晶玻璃(50)上的V型刻槽，V型刻槽的V型夹角为直角，V型刻槽的槽宽等于保偏光纤(41)外径的2^倍；定位基准块(51)的高度为放置光纤用的微晶玻璃(50)高度与光纤半径之和。
3. 根据权利要求1所述的一种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置，其特征 是放置在V形刻槽内的保偏光纤(41)慢轴方向垂直于水平面。
4. 根据权利要求1所述的一种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置，其特征 是保偏光纤光栅(40)采用均匀光纤光栅或啁啾光纤光栅。
5. —种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测方法，其特征是检测步骤步骤一，将基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测装置放置在被测物上，放置光纤用的微晶玻璃(50)的凸出部分与被测物上表面紧密接触；步骤二，将定位传感器接触点(33)放置在保偏光纤光栅(40)的光栅段的两端，启动 光纤研磨机(30)，同时加入研磨泥浆进行研磨，当定位传感器接触点(33)到达定位传感器 (32)时，研磨块(36)反向移动;步骤三，当研磨块(36)接触到定位基准块(51)时，研磨停止；步骤四，研磨结束后，利用光谱仪(60)对保偏光纤光栅(40)双反射光谱的中心波长差 进行记录；步骤五，将记录的波长差数据导入计算机(61)，计算机(61)内存储有之前在相同实验 基础上得到的波长差_位移拟合曲线，将得到的中心波长差代入曲线中，即得到位移结果。
全文摘要
一种基于轴向研磨保偏光纤光栅的微位移检测方法及装置，其宽带光源(10)与耦合器的第一端(1)连，耦合器的第二端(2)与保偏光纤光栅(40)的一端连，耦合器的第三端(3)与光谱仪(60)输入端连；保偏光纤光栅置于放置光纤用的微晶玻璃(50)的V型刻槽中，并粘贴其上；定位基准块(51)放置在光纤放置用微晶玻璃的一侧，固定在底板(52)上；研磨块(36)置保偏光纤光栅的正上方。启动研磨机对保偏光纤光栅进行研磨，当研磨块接触到定位基准块时，研磨停止；利用光谱仪(60)对保偏光纤光栅(40)双反射光谱的中心波长差进行记录；用计算机处理并显示结果。最终的位移测量精度为0.01μm。
文档编号G01B11/02GK101696874SQ200910235380
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月13日 优先权日2009年10月13日
发明者宁提纲, 李卓轩, 祁春慧, 裴丽, 赵瑞峰, 高嵩 申请人:北京交通大学;