一种基于法布里-珀罗原理的位移传感器的制作方法

本申请涉及测量技术，尤其涉及一种基于法布里-珀罗原理的位移传感器。

背景技术：

位移传感器能够实现对距离的测量，位移传感器依据不同的测量原理有不同的设计。然而，基于目前的测量原理所设计的位移传感器至少具有如下缺点：结构复杂，精度低，制作成本较高。

申请内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种基于法布里-珀罗原理的位移传感器。

本申请实施例提供的基于法布里-珀罗原理的位移传感器，包括：外壳、设置在所述外壳内部的基板、光纤、反光镜和位移折减结构；其中，

所述光纤的端部为第一反射面，所述反光镜为第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面平行；所述光纤固定在所述基板上，所述第二反射面能够沿所述第二反射面的轴线方向移动，所述第二反射面的轴线方向与所述第一反射面的轴线方向平行；所述位移传感器的探杆发生第一位移改变量时，所述位移折减结构将所述第一位移改变量折减成第二位移改变量并带动所述第二反射面发生第二位移改变量，所述第二位移改变量小于所述第一位移改变量，通过测量所述第一反射面和所述第二反射面之间的干涉腔长变化量，确定所述第二位移改变量，并基于所述第一位移改变量与所述第二位移改变量之间的对应关系确定所述第一位移改变量。

在本申请的一种实施方式中，所述位移折减结构为折叠杠杆结构，所述折叠杠杆结构包括多个折叠，所述多个折叠中的固定点固定在所述基板上，其中，所述固定点到所述第二反射面之间包括m个第一折叠，所述固定点到所述折叠杠杆结构的探杆之间包括n个第二折叠，m和n为正整数，且n≥m；

所述第一折叠的长度的一半为a，所述第二折叠的长度的一半为l；如果所述折叠杠杆结构的探杆的第一位移改变量为w，则所述第一反射面和所述第二反射面之间的干涉腔长变化量δd为：

在本申请的一种实施方式中，所述位移传感器的量程越大，则na与ml的比值越小；其中，所述第一位移改变量和所述干涉腔长变化量成正比。

在本申请的一种实施方式中，所述位移折减结构为减速齿轮结构，所述减速齿轮结构包括齿轮和齿条；或者，所述减速齿轮结构包括齿轮、齿条和蜗杆；其中，所述减速齿轮结构能够将探杆发生的第一位移改变量折减成所述第二反射面的第二位移改变量，所述第一反射面和所述第二反射面之间的干涉腔长变化量小于所述第一位移改变量，且与所述第一位移改变量成正比。

在本申请的一种实施方式中，所述减速齿轮结构的探杆带有第一齿条，所述第一齿条与双齿轮上的第一齿轮对接，所述双齿轮上的第二齿轮与第二齿条对接，所述第一齿轮的直径大于所述第二齿轮的直径，所述第二齿条的端部固定有所述反光镜；其中，

所述探杆发生第一位移改变量时，带动所述第一齿条移动，通过所述双齿轮对所述第一位移改变量进行位移折减，使得带有反光镜的所述第二齿条发生第二位移改变量，所述第二位移改变量小于所述第一位移改变量；所述第一反射面和所述第二反射面之间的干涉腔长变化量为所述第二位移改变量。

在本申请的一种实施方式中，所述减速齿轮结构包括一个或多个双齿轮，其中，所述减速齿轮结构包括多个双齿轮的情况下，所述多个双齿轮中的两个相邻双齿轮之间通过如下方式对接：靠近所述探杆的双齿轮的第二齿轮与靠近所述反光镜的双齿轮的第一齿轮对接，所述第一齿轮的直径大于所述第二齿轮的直径。

在本申请的一种实施方式中，所述减速齿轮结构的探杆带有第一齿条，所述第一齿条与带有蜗杆的第一齿轮对接，所述第一齿轮和所述蜗杆共用一个转轴，所述蜗杆与第二齿轮对接，所述第二齿轮与第二齿条对接，所述第二齿条的端部固定有所述反光镜；其中，

所述探杆发生第一位移改变量时，带动所述第一齿条移动，所述第一齿条带动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮的转动带动所述蜗杆转动，通过所述蜗杆对所述第一位移改变量进行位移折减，并带动所述第二齿轮发生转动，使得带有反光镜的所述第二齿条发生第二位移改变量。

在本申请的一种实施方式中，所述减速齿轮结构的探杆带有第一齿条，所述第一齿条与带有蜗杆的第一齿轮对接，所述第一齿轮和所述蜗杆共用一个转轴，所述蜗杆的端部固定有所述反光镜，所述反光镜的法线平行于所述蜗杆的轴线，所述反光镜随着所述蜗杆的端部一起移动；其中，

所述蜗杆的外螺纹拧在一个螺孔中，所述探杆发生第一位移改变量时，带动所述第一齿条移动，所述第一齿条带动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮的转动带动所述蜗杆在螺孔中转动，并带动所述蜗杆的端部的反光镜发生移动，通过所述蜗杆对所述第一位移改变量进行位移折减，使得所述蜗杆的端部的所述反光镜发生第二位移改变量。

在本申请的一种实施方式中，所述位移折减结构包括以下部件的任意组合：齿轮、齿条、蜗杆；其中，所述减速齿轮结构能够将探杆发生的第一位移改变量折减成所述第二反射面的第二位移改变量，所述第一反射面和所述第二反射面之间的干涉腔长变化量小于所述第一位移改变量。

在本申请的一种实施方式中，所述位移传感器还包括斜面；

在所述外壳壁上开一个与所述斜面垂直的斜孔，所述斜孔内通过杆，所述杆的顶端是所述反光镜，所述杆的底部固定有滑块，所述杆和所述滑块为一体零件；所述斜面、所述滑块的底面、所述杆的顶端的反光镜和所述光纤的端部平面均平行；所述位移传感器的探杆在水平方向发生第一位移改变量时，所述斜面水平移动，带动所述滑块在斜面的法线方向发生移动，最终带动所述杆的顶端的反光镜发生移动，改变了所述光纤端部平面到所述反光镜之间的干涉腔长δd；其中，所述斜面的倾角是θ，当所述第一位移改变量为w时，干涉腔长的变化量为δd＝w·sinθ；所述第一位移改变量和所述腔长变化量之间为线性关系；

所述位移传感器的探杆的一端连接有防晃凸块，所述防晃凸块使得所述斜面只沿所述第一位移改变量的方向发生轴向移动。

在本申请的一种实施方式中，所述滑块底部与所述斜面的接触方式为滑动摩擦接触或滚动摩擦接触；其中，

所述滑动摩擦接触的接触方式包括：用一个点接触；或用一条线接触；或用一个平面接触；或是斜面上相距一定距离的两个点或多个点接触，所述两个点或多个点均在一个平面上；或是斜面上相距一定距离的两条线或多条线接触，所述两条线或多条线均在一个平面上；或是斜面上相距一定距离的两个面或多个面接触，所述两个面或多个面均在一个平面上；所述滑块的底部和所述斜面的接触构件是不发生转动的点、线、面中的任意组合的滑动摩擦的接触方式；

所述滚动摩擦接触的接触方式包括：用一个点接触；或是斜面上相距一定距离的两个点或多个点接触，所述两个点或多个点均在一个平面上；所述滑块的底部和所述斜面的接触构件是滚动摩擦的接触方式，所述滑块的顶部连接的刚性杆的轴线垂直于所述斜面，并穿过轴线垂直于所述斜面的斜孔，所述刚性杆顶部的反光镜的法线垂直于所述斜面，所述光纤端部平面平行于所述反射镜。

在本申请的一种实施方式中，所述滑块与所述斜面的接触方式是点接触或面接触；其中，

所述点接触的接触方式包括单点接触或多点接触，其中，所述多点接触时，所有接触点的连线在位移方向的投影具有一定长度，在所述滑块不发生转动的情况下，不会对干涉腔长的测量产生附加影响，测出的位移和干涉腔长变化量成线性关系。

在本申请的一种实施方式中，当所述滑块在斜面上有左右两个点接触或两个平面接触时：

两个作用点的间距是l，所述滑块上方有一个弹簧，所述弹簧能够将所述滑块挤压并紧贴到所述斜面上，所述滑块与所述斜面有一定的摩擦力，且摩擦力与所述弹簧的弹力成正比；所述位移传感器的探杆发生第一位移改变量时，通过增大两个作用点的间距l，或减小所述滑块与所述斜面之间的摩擦系数，或增大所述弹簧的弹力，使得两个作用点始终都接触所述斜面，所述滑块不发生转动，所述滑块上方刚性杆端面的反光镜始终平行于所述斜面。

本申请提供了一种基于非本征法布里-珀罗干涉(extrinsicfabry-perotinterferometric，efpi)原理的位移传感器，简称法布里-珀罗原理的位移传感器，利用折叠杠杆或齿轮齿条蜗杆等结构，将较大的位移折减为较小的干涉腔长变化量，且位移大小与干涉腔长变化量成正比，依据法布里-珀罗原理可以测量出干涉腔长变化量，进而计算出位移的大小。本申请实施例的位移传感器具有精度高、抗干扰能力强和耐久性强等优点，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本申请实施例提供的非本征法布里-珀罗干涉(efpi)原理的示意图；

图2(a)为本申请实施例提供的非本征法布里-珀罗干涉(efpi)原理的光谱图；

图2(b)为本申请实施例提供的基于齿条和双齿轮结构标定出的位移与干涉腔长之间的线性关系图；

图3为本申请实施例提供的基于折叠杠杆结构的位移传感器的示意图；

图4为本申请实施例提供的基于齿条和双齿轮结构的位移传感器的示意图；

图5为本申请实施例提供的基于齿轮、齿条和蜗杆结构的第一种位移传感器的示意图；

图6为本申请实施例提供的基于齿轮、齿条和蜗杆结构的第二种位移传感器的示意图；

图7(a)为本申请实施例提供的基于斜面的位移传感器的示意图一；

图7(b)为本申请实施例提供的基于斜面的位移传感器的示意图二；

图8(a)为本申请实施例提供的滑块与斜面的接触关系示意图一；

图8(b)为本申请实施例提供的滑块与斜面的接触关系示意图二；

图8(c)为本申请实施例提供的滑块与斜面的接触关系示意图三；

图8(d)为本申请实施例提供的滑块与斜面的接触关系示意图四；

附图标记说明：

1-光纤；2-光纤端面，即第一反射面；3-反光镜，即第二反射面；4-光纤保护套；5-第二反射面的载体；6-位移传感器的基板，用于固定元器件；7-光谱解调装置；8-固定到基板上的直线运动轴承；9-位移传感器的传动杆；10-折叠杠杆的固定点，该固定点只限制位移，不限制转动；11-第一折叠，指固定点10与位移传感器的传动杆9之间的折叠杠杆；12-第二折叠，指固定点10与位移传感器的探杆14之间的折叠杠杆；13-第二折叠12与位移传感器的探杆14之间的连接铰点；14-位移传感器的探杆；15-第一齿条；16-双齿轮上的第一齿轮(即大直径齿轮)；17-双齿轮上的第二齿轮(即小直径齿轮)；18-齿轮或双齿轮固定到基板上的转轴；19-第二齿条；20-使得位移传感器的探杆14只发生轴向运动的约束装置，常用直线运动轴承等；21-齿轮和蜗杆的共用转轴；22-第一齿轮，该第一齿轮与蜗杆同轴；23-与第一齿轮22同轴的蜗杆；24-第二齿轮；25-约束转轴21的轴承；26-带内螺纹的螺孔；27-密封圈；28-密封塞；29-传感器外壳；30-带斜孔的固定装置；31-弹簧32-滑块，底部有一定长度，和斜面是多点接触或者面接触；33-刚性杆，底部刚性连接滑块，顶部有反光镜；34-斜面零件；35-防晃凸块；36-限位凸块。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

本申请结合非本征法布里-珀罗干涉(efpi)原理，提供了结合折叠杠杆，以及齿轮、双齿轮、蜗杆或多种样式的齿轮组合，对位移进行折减，将较大的位移变化量通过折叠杠杆或齿轮、蜗杆等构件转换成较小干涉腔长变化量，从而通过测量干涉腔长的变化量来确定位移的大小。

图1为非本征法布里-珀罗干涉(efpi)原理的示意图，如图1所示，包括：光纤1、反光镜3；其中，光纤1的光纤端面2构成第一反射面，反光镜3构成第二反射面。图2(a)为非本征法布里-珀罗干涉(efpi)原理的光谱图；图2(b)为基于齿条和双齿轮结构标定出的位移与干涉腔长之间的线性关系图。

实施例1：折叠杠杆结构

如图3所示，依据法布里-珀罗原理，光纤1端部的光纤端面2为第一反射面，反光镜3为第二反射面，两个反射面平行。在此基础上，光纤1和光纤保护套4一起固定到外壳内部的基板6上，反光镜3连通反光镜的载体5可以发生轴向移动，移动方向与光纤1端部位置的轴线相同。采用可以平移反光镜3且反射点不发生变化的结构来将较大的位移转换成较小的腔长变化量。

本实施例中，通过折叠杠杆结构对位移进行折减。如图3所示，折叠杠杆结构有多个转轴13，由于位移传感器的法布里-珀罗干涉腔长(以下简称干涉腔长)变化量很小，所以折叠杠杆结构的固定点10是靠近反光镜3的，即固定点10到反光镜3对应的折叠数较少，有m个第一折叠11，图3示意出了m＝1的情况；固定点10到位移传感器的探杆14这部分的折叠数较多，有n个第二折叠12，图3为m＝3的情况。此外，可以改变每个折叠结构的杆长。一般情况下，固定点10到位移传感器的探杆14这部分的第二折叠12较长，每一个第二折叠的长度的一半为l；固定点10到反光镜3这部分的第一折叠11较短，每一个第一折叠的长度的一半为a。假设位移传感器的探杆14移动的位移量为w，则法布里-珀罗干涉腔长的变化量δd为：

由于法布里-珀罗干涉腔长的变化范围有限，所以位移传感器的量程越大，na与ml的比值越小。其中，位移变化量和腔长变化量始终成正比。

图3中的结构，探杆14向左移动，干涉腔长变大。也可以将反光镜的载体5的反射面放到右边，光纤1也在反光镜的第二反射面3的右边，这样探杆14向左移动时，干涉腔长变小。

实施例2：齿轮结构

如图4、图5和图6所示，依据法布里-珀罗原理，通过减速齿轮结构对位移进行折减，将较大的位移变化量转换成较小的干涉腔长变化量。机械结构包括各种齿轮的组合，包含不同种类的齿轮或双齿轮、齿条、蜗杆等构件。将较大的位移通过一系列的齿轮、齿条、蜗杆等构件对位移进行折减，使得干涉腔长发生较小的变化。位移变化量和腔长变化量始终成正比。

图4中，位移折减结构包括齿轮和齿条，如图4所示，位移传感器的探杆14带有第一齿条15，位移发生变化时，带动第一齿条15移动，第一齿条15对接双齿轮上的第一齿轮16(即大直径齿轮)，双齿轮上的第二齿轮17(即小直径齿轮)对接第二齿条19，该第二齿条的端部固定有反光镜的载体5，载体5的端部是第二反射面3，第二反射面3的轴线与光纤1轴线平行，且光纤1端部和光纤保护套4固定到基板6上。双齿轮的转轴17是固定到基板6上的。固定到基板6上的直线运动轴承8用来限制位移传感器的传动杆9的运动，确保传动杆9只在轴向发生移动。固定到基板6上的直线运动轴承20用来限制位移传感器的探杆14的运动，确保探杆14只在轴向发生移动。位移发生较大变化时，通过双齿轮16、17的直径不同对位移进行折减，使得带有反光镜3的第二齿条19发生较小的位移变化，即干涉腔长发生较小的变化。通过标定，可以得到位移变化量与腔长变化量的线性关系。如果位移传感器的量程较大，一个双齿轮对位移的折减不够，可以通过多个双齿轮的组合对位移进行折减。

图5中，位移折减结构包括齿轮、蜗杆和齿条，如图5所示，位移传感器探杆14带有第一齿条15，探杆14发生位移变化时，带动第一齿条15移动，第一齿条15对接带有蜗杆23的第一齿轮22，即第一齿轮22和一个蜗杆23共用一个转轴21，第一齿轮22转动带动蜗杆23转动。蜗杆23对接第二齿轮24，此时，较大的位移通过蜗杆23进行折减，带动第二齿轮24发生较小转动。第二齿轮24对接第二齿条19，第二齿条19的载体传动杆9的端部是反光镜的载体5，载体5的端部是第二反射面3，第二反射面3的轴线与光纤1轴线平行，且光纤1端部和光纤保护套4固定到基板6上。约束第一齿轮22和蜗杆23的转轴21的轴承25是固定到基板6上的。固定到基板6上的直线运动轴承8用来限制位移传感器的传动杆9的晃动，确保传动杆9只在轴向发生移动。固定到基板6上的直线运动轴承20用来限制位移传感器的探杆14的运动，确保探杆14只在轴向发生移动。位移发生较大变化时，通过蜗杆23和第二齿轮24对位移进行折减，使得带有反光镜3的第二齿条19发生较小的位移变化，即干涉腔长发生较小的变化。通过标定，可以得到位移变化量与腔长变化量的线性关系。

图6中，基于法布里-珀罗原理的位移传感器，使用千分尺的结构，将直线位移通过第一齿条15的移动转换成第一齿轮22的转动，有一个与第一齿轮22同轴的蜗杆23，可以将较大的齿轮转动量转换成蜗杆较小的轴线移动量。蜗杆23采用外螺纹结构，放在螺孔26内，螺孔26固定到基板6上，不发生移动，蜗杆23的端部固定有反光镜3，随着蜗杆23的端部一起移动，光纤1的轴线垂直于反光镜3，通过测量蜗杆23端部的移动量，可以确定位移的大小。位移变化量和腔长变化量成正比。

需要说明的是，本申请结合齿轮、双齿轮、蜗杆，可以做成多种样式的齿轮组合，只要起到位移折减作用即可，即结合法布里-珀罗原理，将较大的位移变化量通过齿轮、蜗杆等构件转换成较小干涉腔长变化量的方法，均在本专利的保护范围内。

实施例3：斜面结构

如图7(a)和图7(b)所示，依据法布里-珀罗原理，通过斜面对位移进行折减。图7(a)所示的是随着位移的增大，腔长越来越短的工况，即θ为正数的工况；也可以将斜面斜孔反过来放置，即随着位移的增大，腔长越来越长，即θ为负数的工况，如图7(b)所示。斜面的倾角θ的范围在-90°到+90°之间。图7(a)和图7(b)中，位移传感器的探杆14在右边，左边连接有限位凸块36，限位凸块36左边连接有斜面零件34，在外壳壁29上开一个与斜面垂直的斜孔，斜孔内有直线运动轴承3，滑块32上方和刚性杆33为一个零件，刚性杆33穿过直线运动轴承，刚性杆33的顶端是反光镜3，刚性杆33和滑块为一体零件。斜面、滑块底面、杆的顶面的反光镜3和光纤端部2平面均平行。如图8所示，图8(a)和图8(d)是滑块32与斜面34是点接触的工况，图8(b)和图8(c)是滑块32与斜面34是面接触的工况。点接触分为图8(a)所示的单点接触和图7、图8(d)所示的多点接触，多点接触时，所有接触点的连线在位移方向的投影有一定长度。此时只要滑块32不发生转动，即使摩擦力导致滑块32随着斜面发生微小移动，干涉腔长变化量仍然是位移的线性函数，没有附加的干涉腔长变化。位移在水平方向发生变化时，斜面34在水平方向平移，带动滑块32在斜面的法线方向发生移动，最终带动刚性杆33端部的反光镜3发生移动，改变了光纤端部平面2到反光镜之间3的干涉腔长δd。斜面的倾角是θ，当位移变化量为w时，干涉腔长的变化量为δd＝w·sinθ。本申请的技术方案可以使得位移和腔长变化量之间为线性关系。

为了防止斜面晃动，使用防晃凸块35，使得斜面34只沿位移的方向发生轴向移动，没有法向移动。此外，刚性杆33处的弹簧31对滑块43和斜面零件34产生一个下的弹力，不仅可以放置滑块受到摩擦力发生转动，也可以防止斜面晃动。防晃凸块35与密封塞28之间的弹簧31在位移变小时发生压缩，使得斜面零件34向右弹出。图7(a)和图7(b)中，零件14、34、35、36可以是一个零件，也可以是多个零件连接在一起。限位凸块36是为了使得斜面34被弹簧31顶到一定的位置时，卡在外壳29内部的右边。

滑块32底部与斜面接触方式可以分滑动摩擦和滚动摩擦接触：

(1)滑动摩擦可以用一个点接触；或用一条线接触；或用一个平面接触；或是斜面上相距一定距离的两个点或多个点接触，这些点均在一个平面上；或是斜面上相距一定距离的两条线或多条线接触，这些线均在一个平面上；或是斜面上相距一定距离的两个面或多个面接触，这些面均在一个平面上；滑块底部和斜面的接触构件是不发生转动的点、线、面等滑动摩擦的接触方式。如图7和图8所示。

(2)滚动摩擦可以用一个点接触，或是斜面上相距一定距离的两个点或多个点接触，这些点均在一个平面上；图7、图8(a)和图8(b)中，滑块32底部和斜面34的接触构件可以看做是滚珠、滚针或其他滚动摩擦的接触方式。滑块32顶部连接的刚性杆33的轴线垂直于斜面34，并穿过轴线垂直于斜面34的斜孔，刚性杆33顶部的反光镜3的法线也垂直于斜面34，光纤端部平面2平行于反光镜3。

如图8所示，滑块32与斜面34是点接触或面接触，点接触分为单点接触和多点接触，多点接触时，所有接触点的连线在位移方向的投影有一定长度，此时只要滑块不发生转动，即使摩擦力导致滑块随着斜面发生微小移动，也不会对干涉腔长的测量产生附加影响，测出的位移和干涉腔长变化量成线性关系。

优选的，如图8(b)和(c)所示，当滑块32在斜面34上有左右两个点接触或两个平面接触时：两个作用点的间距是l，滑块上方有一个弹簧31，可以将滑块32挤压并紧贴到斜面34上，滑块32与斜面34有一定的摩擦力，摩擦力与弹力成正比。位移发生变化时，为了使两个作用点始终都接触斜面34，滑块32不发生转动，滑块32上方刚性杆33端面的反光镜3始终平行于斜面34，可以通过增大两个作用点的间距l，或减小滑块与斜面之间的摩擦系数，或增大弹簧弹力等方法来实现。

本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。