基于聚合物光纤的三维位移测量传感器的制作方法

本发明涉及光纤宏弯耦合的应用领域，具体为一种基于聚合物光纤的多维位移测量传感器，适用于工业上检测三维方向上的位移。

背景技术

在工业应用中有一些明显的问题，需要使用方向位移传感器来测量二维，三维或多维位移。传统的位移传感器有磁感应，光电，电位器，变压器，霍尔型，绕组，电容式类型等。这些传统的位移传感器都已是比较成熟的技术，并且部署在不同的工业用途中。然而，传统方法除了具有一些优点外，也有许多不足，并且这种传统技术的兼容技术是基于光纤的系统。这些光纤传感器具有以下突出优点：非电气，防爆，体积小，重量轻，高精度，准确度高，而且，光纤传感器具有突破性优点，不受电磁干扰emi和射频干扰rfi的影响，可以方便分布式传感。

在过去的几次研究中，fos在现实环境中的研究和实施方面取得了很大的成功。大多数研究都是在一维（1d）位移测量传感器上进行的，并且已经发明了许多相关技术。对于商业系统中使用的一维传感技术是基于强度传感器，三角测量传感器，飞行时间传感器，共焦传感器，干涉测量传感器，速度和震动的测量，基于连续距离测量和直接速度测量--多普勒感测。而一些基于光学系统的测量是多波长和扫描干涉测量，调频连续波飞行时间和自混合干涉测量。所有这些报道的方法都是基于非接触的一维位移系统，而宏观弯曲的光纤布拉格光栅fbg是接触式一维位移传感器。但是，在某些条件下仍然需要一维测量另一个方向，例如，测量x轴和y轴。

对于二维测量，一种简单的方法是采用两个一维位移传感器套件来实现二维位移测量。但是，部署两个一维结构的套件，系统将会更复杂和拥挤，并作为两种不同的设置运行。这个概念使用起来不方便，并且增加了整个系统的成本。对于二维位移测量，大多数研究已经完成了基于光学的方法，包括散斑图干涉测量，图像处理算法，激光多普勒和授权干涉测量。这些系统适用于二维，而当需要在真实物理环境中感测却需要在三个方向上测量来完成三个轴（x，y和z轴）测量时，在二维位移测量中仍然缺少一个方向。本发明提出多维位移测量系统来解决了这个问题。

传统的三维传感器是基于压电半导体psc方法，是由hutson首先提出的。在他之后，提出了几种扩展psc传感器范围的技术，如扩展单元法（xfem），扩展位移不连续法（edd），边界元法（bem），分布式位错法。这些方法具有较高的灵敏度和准确性，但是这些系统具有复杂的数学和数值模型。3轴平台（xyz）广泛用于半导体制造和检测机器扫描探针显微镜，光学显微镜和激光写入系统中。在选择高分辨率，快速，小测量范围时，激光干涉仪具有许多优点，但这些系统易受环境影响，如空气湿度，气压和气温。另一种测量三维位移的系统是xy网络编码器的组合，该编码器测量x-y轴，第三方向z轴由电容式位移传感器测量。

为了避免环境干扰，基于光纤的位移传感器是获得高分辨率、高精度和灵敏度的最佳选择。从某种意义上说，有两种众所周知的光纤，即晶体光纤和聚合物光纤。与标准晶体光纤相比，聚合物光纤具有柔性、廉价、易于弯曲的优点。然而，光栅光纤用于一些研究人员测量三维和多维位移。该方法需要三个fbg和三个光学滤波器，以保证在不同的频率下运行。但是这种方法比较昂贵，需要进行信号处理，不能得到广泛的使用。

基于上述缺陷，需要一种新型的成本低、精度高、且灵敏度高的多维位移传感器。

技术实现要素：

本发明为了解决现有多维位移传感器或者易受干扰，或者精度低、或者成本较高的问题，提供了一种基于聚合物光纤的三维位移测量传感器。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于聚合物光纤的三维位移测量传感器，包括x轴、y轴和z轴、第一无源光纤、第二无源光纤、第三无源光纤和有源光纤，所述第一无源光纤、第二无源光纤、第三无源光纤均与有源光纤双绞，所述有源光纤的一端与led光源连接后，首先与第一无源光纤双绞，形成第一双绞纤维，所述第一双绞纤维的起始一段固定在x轴移动板上，剩余部分弯曲形成圆形状，形成第一宏弯耦合结构，所述第一宏弯耦合结构位于xy平面内，第一无源光纤位于第一双绞纤维的起始一端闲置，另一端与第一光功率计连接；所述有源光纤与第一无源光纤双绞结束后与第二无源光纤进行双绞，形成第二双绞纤维，所述第二双绞纤维的起始端由第一卡箍固定，所述第二双绞纤维的起始一段环绕第一双绞纤维的圆形段旋转一圈后形成第二宏弯耦合结构，然后穿过第一双绞纤维下部，所述第二双绞纤维的末尾一段固定于y轴移动板上，其末尾端的第二无源光纤与第二光功率计连接，所述第二宏弯耦合结构位于xy平面内；所述有源光纤与第二无源光纤双绞结束后再与第三无源光纤进行双绞，形成第三双绞纤维，所述第三双绞纤维的起始端由第二卡箍固定，所述第三双绞纤维弯曲成圆形形成第三宏弯耦合结构，所述第三宏弯耦合结构位于xz平面内，所述第三双绞纤维的末尾一段固定于z轴移动板上，其末尾端的第三无源光纤与第三光功率计连接。

本发明提供了一种基于聚合物光纤的三维位移测量传感器，用于三个方向上位移的测量，包括x轴方向、y轴方向和z轴方向，每个方向对应一条无源光纤，三个方向上的无源光纤均和有源光纤进行双绞形成双绞纤维（有源光纤与led光源连接，使led光源的光发送给有源光纤），并且三个方向上形成的双绞纤维各自的其中一段固定在xyz三个方向的移动板上，其为了使其在三个方向的移动，剩下的部分均各自弯曲成了圆形形成三个宏弯耦合结构，作用为使有源光纤内的光可以耦合进入各个无源光纤，使无源光纤端部对应的光功率计可以检测出光强，通过三个方向上移动板的移动，位移的增大，使每个宏弯耦合结构的弯曲半径减小，从而使有源光纤给无源光纤耦合入更多的光，使三个光功率计检测出的光强发生变化，从而测量出三个方向上的位移变化，将光强转化成为位移；x方向上的第一宏弯耦合结构和y方向上的第二宏弯耦合结构位于xy平面内，z方向上的第三宏弯耦合结构位于xz平面内。为了防止三个方向上的位移测量相互影响或者干扰，y方向的双绞纤维的起始端通过第一卡箍固定，z方向的双绞纤维起始端通过第二卡箍固定，两个起始端均为两个方向的无源光纤与有源光纤双绞的光纤更换处。

本发明具体操作为：基于聚合物光纤的三维位移测量传感器的位移测量方法，包括如下步骤

①led光源发出光，第一双绞纤维内，有源光纤的光强耦合入第一无源光纤，第一光功率计内检测到光强初始值；第二双绞纤维内，有源光纤的光强耦合入第二无源光纤，第二光功率计内检测到光强初始值；第三双绞纤维内，有源光纤的光强耦合入第三无源光纤，第三光功率计内检测到光强初始值；

②x轴移动板位于x轴上，y轴移动板位于y轴上，z轴移动板位于z轴上，保持y轴移动板和z轴移动板固定，拉动x轴移动板，则第一双绞纤维的宏观弯曲半径随着x轴位移的增加而减小，则第一光功率计内检测到的光强开始增大，当x轴位移由大变小时，则第一光功率计内检测到的光强开始减小，通过第一光功率计内检测到光强变化来检测x轴位移的变化；

③保持x轴移动板和z轴移动板固定，拉动y轴移动板，则第二双绞纤维的宏观弯曲半径随着y轴位移的增加而减小，则第二光功率计内检测到的光强开始增大，当y轴位移由大变小时，则第二光功率计内检测到的光强开始减小，通过第二光功率计内检测到光强变化来检测y轴位移的变化；

④保持x轴移动板和y轴移动板固定，拉动z轴移动板，则第三双绞纤维的宏观弯曲半径随着z轴位移的增加而减小，则第三光功率计内检测到的光强开始增大，当x轴位移由大变小时，则第三光功率计内检测到的光强开始减小，通过第三光功率计内检测到光强变化来检测y轴位移的变化；

⑤保持z轴移动板固定，同时拉动x轴移动板和y轴移动板，则第一双绞纤维和第二双绞纤维的宏观弯曲半径随着x轴和y轴位移的增加而减小，第一光功率计和第二光功率计内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计和第二光功率计内检测到光强变化来检测x轴和y轴位移的变化；若x轴和y轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化；

⑥保持x轴移动板固定，同时拉动y轴移动板和z轴移动板，则第二双绞纤维和第三双绞纤维的宏观弯曲半径随着y轴和z轴位移的增加而减小，第二光功率计和第三光功率计内检测到的光强均开始增大，通过第二光功率计和第三光功率计内检测到光强变化来检测y轴和z轴位移的变化；若y轴和z轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化；

⑦保持y轴移动板固定，同时拉动x轴移动板和z轴移动板，则第一双绞纤维和第三双绞纤维的宏观弯曲半径随着x轴和z轴位移的增加而减小，第一光功率计和第三光功率计内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计和第三光功率计内检测到光强变化来检测x轴和z轴位移的变化；若x轴和z轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化；

⑧同时拉动x轴移动板、y轴移动板和z轴移动板，则第一双绞纤维、第二双绞纤维和第三双绞纤维的宏观弯曲半径随着x轴、y轴和z轴位移的增加而减小，第一光功率计、第二光功率计和第三光功率计内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计、第二光功率计和第三光功率计内检测到光强变化来检测x轴、y轴和z轴位移的变化；若x轴、y轴和z轴的位移其中一个或者两个或者三个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化；

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种新的三维位移测量传感器系统：首次使用pof进行多维位移测量，该系统可用于宏弯曲现象，确保弯曲增加或减少时的光功率损失；双绞结构用于接收数据以测量各个方向的光功率；此外，首次在单透光纤上进行三次双绞，以实现三维测量，甚至本发明可以扩展到多维测量。本发明可测量范围较宽，且具有良好的灵敏度和准确度，结构简单且易于构建，成本低，易于操作的控制，不需要额外的信号处理来得到位移信息。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为三个方向的移动板移动时x轴方向的位移与光功率对应特性图。

图3为三个方向的移动板移动时y轴方向的位移与光功率对应特性图。

图4为三个方向的移动板移动时z轴方向的位移与光功率对应特性图。

图中标记如下：

1-led光源，2-第一光功率计，3-第二光功率计，4-第三光功率计，5-第一卡箍，6-第二卡箍，7-x轴移动板，8-y轴移动板，9-z轴移动板，10-有源光纤，11-第一无源光纤，12-第二无源光纤，13-第三无源光纤，14-第一双绞纤维，15-第二双绞纤维，16-第三双绞纤维。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于聚合物光纤的三维位移测量传感器，如图1所示：包括x轴、y轴和z轴、第一无源光纤11、第二无源光纤12、第三无源光纤13和有源光纤10，所述第一无源光纤11、第二无源光纤12、第三无源光纤13均与有源光纤10双绞，所述有源光纤10的一端与led光源1连接后，首先与第一无源光纤11双绞，形成第一双绞纤维14，所述第一双绞纤维14的起始一段固定在x轴移动板7上，剩余部分弯曲形成圆形状，形成第一宏弯耦合结构，所述第一宏弯耦合结构位于xy平面内，第一无源光纤11位于第一双绞纤维14的起始一端闲置，另一端与第一光功率计2连接；所述有源光纤10与第一无源光纤11双绞结束后与第二无源光纤12进行双绞，形成第二双绞纤维15，所述第二双绞纤维15的起始端由第一卡箍5固定，所述第二双绞纤维15的起始一段环绕第一双绞纤维14的圆形段旋转一圈后形成第二宏弯耦合结构，然后穿过第一双绞纤维14下部，所述第二双绞纤维15的末尾一段固定于y轴移动板8上，其末尾端的第二无源光纤12与第二光功率计3连接，所述第二宏弯耦合结构位于xy平面内；所述有源光纤10与第二无源光纤12双绞结束后再与第三无源光纤13进行双绞，形成第三双绞纤维16，所述第三双绞纤维16的起始端由第二卡箍6固定，所述第三双绞纤维16弯曲成圆形形成第三宏弯耦合结构，所述第三宏弯耦合结构位于xz平面内，所述第三双绞纤维16的末尾一段固定于z轴移动板9上，其末尾端的第三无源光纤13与第三光功率计4连接。

本实施例中采用了优选方案，第一无源光纤11、第二无源光纤12、第三无源光纤13和有源光纤10均采用多模聚合物光纤mmpof。

基于聚合物光纤的三维位移测量传感器的位移测量方法，包括如下步骤

①led光源1发出光，第一双绞纤维14内，有源光纤10的光强耦合入第一无源光纤11，第一光功率计2内检测到光强初始值；第二双绞纤维15内，有源光纤10的光强耦合入第二无源光纤12，第二光功率计3内检测到光强初始值；第三双绞纤维16内，有源光纤10的光强耦合入第三无源光纤13，第三光功率计4内检测到光强初始值；

②x轴移动板7位于x轴上，y轴移动板8位于y轴上，z轴移动板9位于z轴上，保持y轴移动板8和z轴移动板9固定，拉动x轴移动板7，则第一双绞纤维14的宏观弯曲半径随着x轴位移的增加而减小，则第一光功率计2内检测到的光强开始增大，当x轴位移由大变小时，则第一光功率计2内检测到的光强开始减小，通过第一光功率计2内检测到光强变化来检测x轴位移的变化；

③保持x轴移动板7和z轴移动板9固定，拉动y轴移动板8，则第二双绞纤维15的宏观弯曲半径随着y轴位移的增加而减小，则第二光功率计3内检测到的光强开始增大，当y轴位移由大变小时，则第二光功率计3内检测到的光强开始减小，通过第二光功率计3内检测到光强变化来检测y轴位移的变化；

④保持x轴移动板7和y轴移动板8固定，拉动z轴移动板9，则第三双绞纤维16的宏观弯曲半径随着z轴位移的增加而减小，则第三光功率计4内检测到的光强开始增大，当x轴位移由大变小时，则第三光功率计4内检测到的光强开始减小，通过第三光功率计4内检测到光强变化来检测y轴位移的变化；

⑤保持z轴移动板9固定，同时拉动x轴移动板7和y轴移动板8，则第一双绞纤维14和第二双绞纤维15的宏观弯曲半径随着x轴和y轴位移的增加而减小，第一光功率计2和第二光功率计3内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计2和第二光功率计3内检测到光强变化来检测x轴和y轴位移的变化；若x轴和y轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化；

⑥保持x轴移动板7固定，同时拉动y轴移动板8和z轴移动板9，则第二双绞纤维15和第三双绞纤维16的宏观弯曲半径随着y轴和z轴位移的增加而减小，第二光功率计3和第三光功率计4内检测到的光强均开始增大，通过第二光功率计3和第三光功率计4内检测到光强变化来检测y轴和z轴位移的变化；若y轴和z轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化；

⑦保持y轴移动板8固定，同时拉动x轴移动板7和z轴移动板9，则第一双绞纤维14和第三双绞纤维16的宏观弯曲半径随着x轴和z轴位移的增加而减小，第一光功率计2和第三光功率计4内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计2和第三光功率计4内检测到光强变化来检测x轴和z轴位移的变化；若x轴和z轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化；

⑧同时拉动x轴移动板7、y轴移动板8和z轴移动板9，则第一双绞纤维14、第二双绞纤维15和第三双绞纤维16的宏观弯曲半径随着x轴、y轴和z轴位移的增加而减小，第一光功率计2、第二光功率计3和第三光功率计4内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计2、第二光功率计3和第三光功率计4内检测到光强变化来检测x轴、y轴和z轴位移的变化；若x轴、y轴和z轴的位移其中一个或者两个或者三个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化。

本实施例为同时拉动x轴移动板7、y轴移动板8和z轴移动板9来测量三个方向的位移：led光源1的输出功率设定为30mw，该led光源1的分辨率为1nw，工作波长为660nm；当xyz三个方向的位移均为0mm时，初始耦合功率在x轴为42nw，在y轴为62nw，在z轴为88nw，本实施例中，每个方向的移动步长设定为10mm，量程为每个方向均为0~140mm，则得到x轴方向的位移与光功率对应特性图如图2所示，y轴方向的位移与光功率对应特性图如图3所示，z轴方向的位移与光功率对应特性图如图4所示。三个图均表示出在140mm的位移过程中，光功率和位移具有良好的一致性和可重复性。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。