压力型光纤微变传感器的制作方法

本发明涉及一种测量大于100mm微位移的光纤位移传感器，尤其是用于高精度大量程测量微位移的光纤位移传感器。

背景技术：

光纤传感技术是以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感器用于实际测量的主要问题是长时间的漂移效应。光纤传感器的漂移效应来自光纤传输线的衰减、耦合器和分束器特性不完善、光源输出不稳定及探测器的影响等。单一光纤传感器的研究已进入到实用化阶段，但它无法适用于多参数、多变量的测量，而实际的被测对象常需要测量几个不同的参量，比如飞机发动机的运行状态监控，就需要同时监控它的温度、应变、压力等各种物理参量，如果采用分离的传感器进行测量，则会提高系统的复杂性和监控成本，也会降低系统的可靠性。

随着光纤制造技术的迅速发展和光纤材料的深入研究，光纤传感技术也得到了快速发展。光纤传感器与传统的各类传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小，重量轻等一系列独特的优点。因此其在微型仪器及装置等领域有极好的应用前景。现在光纤传感器已有了新的内涵，即传感部分不仅使用圆波导，还可利用光波导技术，集成电子技术将各种不同的光波导与光纤集为一体，形成所谓的光波导传感器。以光作为传感和传导媒介的最大优势是传输容量大、抗电磁干扰，以及作为光波载体的光纤(光波导)所具有的化学惰性和柔软性。在智能材料和智能结构和大型结构监测、高电压、强磁场、核辐射以及生物医学等方面，光纤传感器是具有竞争力的测量手段。经过这些年的发展，光纤传感器在科研与工业应用中已经占有重要的一席之地，其主要的原因在于光纤与金属导线之间的根本区别。这一区别是由于光纤传感器具有以下一些独特的优点：(1)抗电磁干扰能力强、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，并且安全可靠，这使它可以方便有效的用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣环境。(2)灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器，其中有的已经由理论证明，有的已经实验验证，如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器等。(3)重量轻、体积小、可挠曲。光纤除了具有重量轻、体积小的特点外还有可挠曲的优点，因此可以利用光纤的制成不同外形、不同尺寸的各种传感器。这有利于航空航天以及在狭窄空间中的应用。4测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。5对被测介质影响小，有利于在医药、卫生等具有复杂的环境的领域中应用。6便于复用，便于成网。有利于与现有的光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。7成本低。有许多种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。光纤传感器的灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感器用于实际测量的主要问题是长时间的漂移效应，光纤传感器的漂移效应来自光纤传输线的衰减、耦合器和分束器特性不完善、光源输出不稳定及探测器的影响等。两光纤端面如果出现纵向位移、横向位移，或两光纤轴出现焦度偏差，都会使耦合效率下降。光纤在微弯状态下会产生模式耦合，特别是导模和辐射模的耦合，从而使光纤传输损耗增大。一般的光纤位移传感器是利用光的多普勒效应来监控物体的位移，物体对于光的反射面一定要平，可以增加光的反射效率，同时需要物体的运动的方向比较单一，不要出现摆动。

光纤传感器的种类繁多，应用范围极广泛，因此所要求的光纤的种类不是单一的，而是具有多种不同特性，比如低双折射的光纤(旋光纤)、高双折射光纤、圆双折射光纤、椭圆双折射光纤、特殊涂敷光纤、特殊掺杂光纤、特殊新结构光纤、红外光纤、塑料光纤、传像束、光子晶体光纤等。由于在纳微米级的定位系统中，要求传感器能检测出微小的力和位移的信息。目前用于微位移检测的原理较多，如光学式、光电式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、电容式和压电式，以及超声波式位移传感器等多种类型等，但这些大多不便用于机器人对微小的多维力和位移信息的获取。位移传感器又称为线性传感器，是运用最广泛的传感器之一。现有的高精度位移传感器测量量程窄，易受电磁干扰等问题。其中，电容式位移传感器一般量程都很小，小于1mm，其精度特别高，一般用于厚度测量。但是需要事先对被测体的导电性进行标定再进行测量，响应频率几千赫到几十千赫不等，量程一般是mm级，精度一般是μm级。超声波式传感器属于非接触式测量传感器，其精度高。由于声波脉冲间具有一定间隔，因此，它只能实现准实时的位移检测，而不能实现实时的位移测量。电感式位移传感器，按其结构和原理一般都是由固定线圈和可动铁芯组成，当铁芯在线圈内沿轴向运动时，通过线圈电感的变化达到检测位移的目的。但这类传感器对于大位移测量而言，普遍存在着测量范围窄，结构较复杂，应用场合有限等问题。

光纤传感器按照被测物理量对光的调制方式可以分为强度调制式、相位调制式、波长调制式和偏振调制式等多种类型；另外还可以按照被测物理量将光纤传感器分为温度、压力、流量、位移、速度和电压、电流、磁场等多种传感器类型。光纤传感器按功能型和传输型分为反射式光纤位移传感器和微弯传感器两大类。

反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理是采用两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收转换器，接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小响应速度快测量线性化(在小位移范围内)等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

微弯调制型是内调制型光纤位移传感器最常用的一种。光纤在微弯状态下会产生模式耦合，特别是导模和辐射模的耦合，从而使光纤传输损耗增大。大多的微弯传感器都是把外部场的变化转化为光纤所承受压力的变化，也把它们称为压力型微变传感器。光纤微弯传感器是利用光纤弯曲变形引起纤芯或包层中传输的光波强度变化的这一原理制成的全光纤型传感器。由于光纤的输出光强对弯曲程度的变化非常敏感，因此微弯型光纤位移传感器的测量灵敏度比较高，光路完全密封，不易受环境因素影响，但是它对传递应变的微弯装置要求很高。光纤微弯传感器是一种强度调制型光纤传感器,其传感机理是通过测量光纤微弯曲导致的传输光强变化,来获得位移、压力、温度、加速度、应变、流量、速度等待测环境参量,具有结构简单、成本低廉、便于安装等优点。它主要依据微弯周期和光纤形变衰减系数进行微弯周期、通过微弯齿数和微弯齿距的选择,完成差动光纤微弯，并采用光电二极管的跨阻放大和二级放大器光电探测电路,完成上位机软件的编制。在高灵敏度及高精度的传感器系统中，传感器所接收的非电量被测信号往往是非常微弱的，一般含有噪声，因此，与这些传感器相连的放大电路不仅要求高增益，更重要得是必须具有低的噪音性能，还应该具有低输出阻抗，大动态范围，良好的线性特征，此外还要仔细的屏蔽，以消除干扰信号。大多的微弯传感器都是把外部场的变化转化为光纤所承受压力的变化，也把它们称为压力型微变传感器。由于光纤的输出光强对弯曲程度的变化非常敏感，因此微弯型光纤位移传感器的测量灵敏度比较高，光路完全密封，不易受环境因素影响，但是它对传递应变的微弯装置要求很高。因为光纤末端输出的光信号通常是微弱而又存在一定失真的信号，因此光检测器必须满足非常高的特性要求。由于光纤自身的敏感特性，使得光纤传感器对外在的工作环境要求较为苛刻，在实用化问题上一直进展缓慢，大多仍停留在实验室阶段。光纤处于弯曲状态时，原本一些可以在直光纤里面传播的光辐射到光纤之外，产生光功率损耗。光纤弯曲损耗问题是一个复杂的理论问题。对光纤弯曲损耗的研究工作，主要是通过光线理论和模式理论两个途径来进行分析的。绝大多数文献是从模式理论角度对光纤损耗进行分析。传统的光纤微弯传感器一般只能测量力、位移、应力、应变等的大小，无法知道这些参量的方向。为此，现有技术设计了一种差动式光纤微弯传感器，其具体结构是在两个骨架上分别固定安装两个变形齿，不同骨架上的两个变形齿相对放置构成变形齿对，形成两个光纤变形装置。两根光纤分别置于两对微弯变形齿对的齿间隙中。通过增加弹性装置、变形齿限位和光纤定位槽，改善差动式光纤微弯传感器的性能，并且设计变形齿的移动位置限位防止光纤被夹断，不足之处是测量位移范围比较小，测量精度不高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足之处，提供一种量程更大，测量精度更高，抗电磁干扰，耐高温的光纤式微位移传感器，以解决目前位移传感器在高温环境下测量不准确，容易失效等问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种压力型光纤微变传感器，包括：信号调制部分、位移测量部分和信号解调部分，其特征在于：在测量部分的矩形框的上面板上设有两个对称中心的准直透镜，上面板下侧固联有作为位移测量元件的上固定齿板反射镜2，在上固定齿板反射镜2的下方设有反射角齿顶对应上齿板反射角上齿槽的下动齿板反射镜3，且它们的锯齿相向对称，呈悬空错位三角齿耦合分布；下动齿板反射镜3下方固联有传动杆6，传动杆6通过弹簧座将弹簧4固定在所述弹簧座与矩形框的下面板之间；信号调制部分被调制的光信号经过光纤耦合分成两束，一束光信号通过光纤环位移传感器直接到达pd1光电探测器12作为光纤光路的参考光路，而另一束光信号通过第一准直透镜1入射到下动齿板反射镜3的下齿槽反射角，通过全反射镜齿反射至上固定齿板反射镜2的上齿槽反射角，入射光通过上固定齿板反射镜2与下动齿板反射镜3板间的多齿角多次反射后，从第二准直透镜7入射到通过光纤连接的pd2电探测器13；位移测量部分根据下动齿板反射镜3与上固定齿板反射镜2之间的测量物体移动后，经过传动杆6传感臂位移变化产生的光束路程发生的光束相位变化，比较上述两个光电探测器的信号相位差，解调位移变化，解算出两齿板反射镜发生的移动距离或探测的相位变化量，通过相位检出测量物体的微位移量。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

量程更大。本发明将一组平行的齿板反射镜组，分别安装在传感腔体中，通过传动杆的位移使两平行的齿板反射镜距离发生变化，光信号光速v到达光电探测器的时间变化δt，通过齿板间的光学路径长度发生变化量δl，δl＝vδt,从而测量光路相位差发生变化通过测量透镜距离变化即可得到位移参数。由于比较器检测频率在100m～2.7g之间，以及线性工作区间宽度120°π/3左右，调制光信号通过测量光路相位变化量小于2πfδl/v<1，传感器的位移测量范围满足位移变化量通过驱动信号8改变光源9调制频率能实现较宽范围的位移测量,所以最大检测范围z＜(1/3)*3*10⁸/(2*4*100*10⁶)，约125mm左右。在线性工作区，相位比较器精度高于0.05％，所以可以得到较高的位移测量精度。结果表明:位移的测量范围随齿数增加而下降、随光调制信号的周期增加而增加,所设计的传感器测量范围可达0～125mm相对测量误差小于0.05％。检测分辨率可达到哑微米级位移水平。

抗电磁干扰。本发明在测量部分的矩形框的上面板上设有两个对称中心的准直透镜，上面板下侧固联有作为位移测量元件的上固定齿板反射镜2，在上固定齿板反射镜2的下方设有反射角齿顶对应上齿板反射角上齿槽的下动齿板反射镜3，且它们的锯齿相向对称，呈悬空错位三角齿耦合分布,可对位移、压力微小变化进行测量,将光功率维持在光纤内部,光信号本质上抗电磁干扰，电磁环境对光信号的相位，幅度等参数都无影响，可免除周围环境的干扰,且灵敏度很高,具有较高的抗电磁干扰能力。

测量精度较高。本发明信号调制部分被调制的光信号经过光纤耦合分成两束，一束光信号通过光纤环位移传感器直接到达pd1光电探测器12作为光纤光路的参考光路，而另一束光信号通过第一准直透镜1入射到下动齿板反射镜3的下齿槽反射角，通过直线折射后反射至上固定齿板反射镜2的上齿槽反射角，入射光通过上固定齿板反射镜2与下动齿板反射镜3板间的多齿角多次反射后，两块压板的三角形齿槽将产生的周期性连续折射弯曲反射光，从第二准直透镜7入射到通过光纤连接的光pd2电探测器13。当上下齿板受到外界压力或位移变化时，两板间的距离会产生变化，则会导致光纤产生周期为人的连续弯曲，光纤弯曲部分的模振幅被改变，从而对其中的光强度进行了调制。当位移距离保持恒定时，两束光通过的路程均为恒定值，因此到达光电探测器的光信号相位差保持恒定；当测量物体发生移动后，经过传动杆传感器的光束路程发生变化，因此到达光电探测的信号相位也相应改变，通过比较两个光电探测器的信号相位差变化可以解算出反射镜发生的移动距离，可以同时测量几个物理量，大大降低系统的复杂度和成本。解决了目前位移传感器在高温环境下测量不准确，容易失效等问题。牛顿环上,多模光纤接收上下齿板反射镜两镜片反射光形成的干涉条纹,从而确定镜片移动的距离，它的精度可达到10～-7m。灵敏度是单一传感器灵敏度的两倍，而且可以测量拉压力、应力、应变、位移、加速度的大小和方向，或者判断温度的增加或减小。

耐高温。本发明采用低热膨胀系数的光学元件作为位移测量元件石英玻璃热变形温度559度，作为更高性能优选方案，可采用蓝宝石主要成分al2o3，工作温度可到1300度作为光学元件，采用调制的光信号经过光纤耦合其分成两束，一束通过光纤环直接到达光电探测器，而另外一束光信号由光纤准直镜通过腔体内部的两组反射镜，然后再到达另外一个光电探测器,实现“传”与“感”的合二为一,且体积小、抗电磁能力强、化学稳定性好、耐高温、可调参数多例如光纤的折射率、传播常数、光波的强度即振幅、相位、频率、偏振以及波长等,可实现对微小物理变化量的测量等。解决了电感和电容式的位移传感器由于其自身的实现原理容易在温度和电磁干扰情况下出现失效和测量不准的现象。传感器部分无电子元器件，不存在温度漂移，高温下失效等问题。

本发明具有抗电磁干扰、耐高温、灵敏度高、量程大、便于安装且可以实时监控等优点,可以用于位移、力和加速度等测量。

附图说明

图1是本发明压力型光纤微变传感器测量原理图

图2是本发明压力型光纤微变传感器的整体系统结构图。

图中：1准直透镜，2反射镜，3反射镜，4弹簧，5腔体，6传动杆，7准直透镜，8驱动信号源，9光源，10耦合器，11光纤环位移传感器，12光电探测器，13光电探测器，14相位比较器，15电压信号采集器，16处理器，

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，一种压力型光纤微变传感器，包括：信号调制部分、位移测量部分和信号解调部分，其中，测量部分包括由矩形框围成的腔体5，从矩形框底部插入腔体5的传动杆6，通过弹簧4套装传动杆6固联的一组平行的下动齿板反射镜3、作为位移测量元件的上固定齿板反射镜2、以及设置在下动齿板反射镜3背端上方上，对称于上固定齿板反射镜2两边的第一准直透镜1和第二准直透镜7，下动齿板反射镜3与上固定齿板反射镜2锯齿相向对称呈悬空错位三角齿耦合均布；被信号调制部分对其中的光强度进行调制后，被调制的光信号经过光纤耦合分成两束，其中一束光信号通过光纤环位移传感器产生周期性的连续弯曲光信号，光纤环11产生一定的光学路径，直接到达pd1光电探测器12作为信号解调部分的一路参考光路。而被信号调制部分调制的另一束光信号通过位移测量部分中的第一准直透镜1进入齿板反射镜组，通过第二准直透镜7到达另一个pd2电探测器13。

当测量物体发生移动后，经过传动杆传感器的光束路程发生变化，到达光电探测的信号相位也相应改变，通过相位比较器14比较两个光电探测器的信号相位差变化，解算出齿板反射镜发生的移动距离，通过相位检出获得微位移量。

当下动齿板反射镜3与上固定齿板反射镜2受到外界压力或位移变化时，传动杆6的位移使两平行的下动齿板反射镜3与上固定齿板反射镜2两板间的反射镜锯齿距离会产生变化，得到相连耦合器10和pd2光电探测器13光信号产生相应的相位变化。

测量部分包括：矩形框的上面板上设有两个对称中心的准直透镜，上面板下侧固联有作为位移测量元件的上固定齿板反射镜2，在上固定齿板反射镜2的下方设有反射角齿顶对应上齿板反射角上齿槽的下动齿板反射镜3，且它们的锯齿相向对称，呈悬空错位三角齿耦合分布；下动齿板反射镜3下方固联有传动杆6，传动杆6通过弹簧座将弹簧4固定在所述弹簧座与矩形框的下面板之间；信号调制部分被调制的光信号经过光纤耦合分成两束，一束光信号通过光纤环位移传感器直接到达pd1光电探测器12作为光纤光路的参考光路，而另一束光信号通过第一准直透镜1入射到下动齿板反射镜3的下齿槽反射角，通过直线折射后反射至上固定齿板反射镜2的上齿槽反射角，入射光通过上固定齿板反射镜2与下动齿板反射镜3板间的多齿角多次反射后，从第二准直透镜7入射到通过光纤连接的光pd2电探测器13；位移测量部分根据下动齿板反射镜3与上固定齿板反射镜2之间，受外界压力或测量物体移动后，经过传动杆6传感臂位移变化产生的光束路程发生的光束相位变化，比较上述两个光电探测器的信号相位差，解调位移变化，解算出两齿板反射镜发生的移动距离或探测的相位变化量，通过相位检出测量物体的微位移量。

参阅图2。由于光信号的相位具有周期性，当位移变化过大时会导致变化的相位超过一个周期，从而位移检测数据出现对应2π相位变化的位移，因此，根据需要测量的位移范围大小，驱动信号8增大光源调制频率周期，减小光源调制信号频率f，使测量部分为位移传感器位移的最大测量范围内测量光路的相位变化小于2π。同理，在检测传感器较小范围的位移时可以增加光源的调制信号频率f，实现传感器小位移范围内相位较大变化。

信号解制调部分包括顺次串联的驱动信号源8、光源9和耦合器10，驱动信号8产生的调制信号对光源9进行驱动，调节驱动电流即可调节输人光强光源9发出中心波长为的光,由大芯径光纤传输,经过光纤环位移传感器时受到调制,输出光强随光纤环位移传感器位移变化而变化,光强转化为电压信号,从而增大光源调制频率周期，增加光源的调制信号频率f，在测量部分为位移传感器的位移检测数据出现对应2π相位变化的位移，产生一个在t时刻对光源9调制光信号频率f的sin(2πft)调制光信号。调制光信号经过耦合器10后分成两束，一束经过光纤环位移传感器11进入pd1光电探测器12，调制光信号到达pd1光电探测器12的距离是恒定的，光电探测器12接收到的调制光信号频率f不变，相对光源9相位产生一个表示为恒定的相位差，这束光纤光路称为参考光路；另外一束经过测量部分为位移传感器的光路到达pd2光电探测器13，位移传感器在传动杆16位置发生变化时会导致测量光纤的光程发生变化，从而导致相位发生变化，此时pd2光电探测器13接收到的信号可以表示为这束光纤光路称为测量光路。

耦合器10一路光纤通过光纤环位移传感器11串联pd1光电探测器12，另一路光纤深入第一准直透镜1，第二准直透镜7通过出口光纤串联pd2光电探测器13，pd1光电探测器12和pd2光电探测器13分别串联解调部分相位比较器14的正向输入端与反向输入端。相位比较器14由常见的相位比较芯片实现，输入为2个调制信号，输出为电压值，电压大小与相位差成对应关系。相位比较器14将测量光路与参考光路两个光信号的相位差转变成电压信号，在相位比较器的线性工作区域，电压与相位差成正比。

解调部分包括：相位比较器14输出端顺次串联电压信号采集器15和处理器16，相位比较器14采集参考光路和测量光路得到的两路调制信号，检测比较两路调制信号中的相位相位通过相位比较器14相连的模数转换器ad采集及其arm处理器实现相位信号的运算处理，将相位信号转换成位移信号输出。两路调制信号中的相位相位光路相位差arm处理器根据此关系式，可以输出检测范围的位移量z,其中f为调制信号频率，δl表示光学路径长度变化量,v为光在空气中速度,n为下齿板齿数。

安装在传感腔体中的两块平行齿板反射镜构成了其中一块是活动板,另一块是固定板的三角形齿槽压板变形器,分别通过传动杆6的位移,使齿板反射镜组中两平行的距离发生变化，通过测量透镜距离变化即可得到位移参数。当上下齿板反射镜受到外界压力或位移变化时，两板间反射镜的距离生变化，光信号到达光电探测器的时间变化量为δt，使齿板间的光学路径长度发生的位移变化量δl＝vδtδl，测量光路相位差发生的变化量为则有相位变化量与位移的关系为：其中，v为光速,f为调制信号频率。当位移量过大时，fδl/v>1，由于调制信号频率f保持常数不变，所以测量光路的光信号相位变化会超过2π，相位比较器只能检测2π范围内的相位，实际测得相位为从而产生数据丢失，为了消除位移测量范围过大导致相位跳变，可以增加光信号的周期，即减小调制频率f使其满足最大位移量时，调制光信号通过测量光路相位变化量小于2πfδl/v<1，所以通过驱动信号8改变光源9调制频率能实现较宽范围的位移测量。考虑到相位比较器检测频率在100m～2.7g之间，以及线性工作区间宽度120°π/3左右，以下齿板的齿数为n，位移变化量为z，两块平行齿板反射镜的光学路径长度变化量δl存在关系：δl＝2nz，当传感器的位移测量范围满足若齿板齿数n＝4，则最大检测范围的位移变化量z＜(1/3)*3*10⁸/(2*4*100*10⁶)。

整个系统采用相位检测法实现位移的检测，具体工作原理如下：光源9发出的光经过耦合器分成两束，一束直接通过光纤环位移传感器11直接到达光电探测器12，另外一束光由第一准直透镜1在上固定齿板反射镜2和下动齿板反射镜3三角齿直接多次反射，再经过第二准直透镜7进入光电探测器13，通过测量光电探测器12和光电探测器13的光信号相位变化便可以得到上固定齿板反射镜2和下动齿板反射镜3之间的距离变化，通过相位与位移关系从而实现位移测量。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；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。