專利名稱：一種全光纖頻域干涉納米微位移測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種位移傳感器，尤其是具備納米級位移分辨能力的傳感裝置。
背景技術：
位移是物體的位置在運動過程中的移動量，位移的測量所涉及的范圍相當廣泛，其中，微位移的測量涉及精密計量與微機電系統等，通過測量位移可以間接檢測到很多物理量，如加速度、壓強和應力等。目前，微位移通常用電感式、光柵式和渦流式等傳感器來檢 測。電感式位移傳感器帶有無滑動觸點，雖然工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，但是測量對象必須是金屬導體，此外由于是接觸測量，因此可能會對被測對象帶來負面影響。光柵式傳感器雖具有易實現數字化、抗干擾能力強、沒有人為讀數誤差、安裝方便、使用可靠等優點，但是測量精度一般在微米級，一般應用在機床加工、檢測儀表等行業中。渦流式傳感器利用電渦流效應能靜態和動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面距離，但是被測體必須是金屬導體，這個缺點限制了它的廣泛應用。綜上所述，目前的位移傳感技術在測量納米級微位移存在不足，難以滿足精密計量與微機電系統等方面日益發展的要求。
發明內容
為了對金屬與非金屬物體進行納米級微位移的測量，本發明提供一種全光纖頻域干涉納米微位移測量系統，該傳感系統能靜態和動態地非接觸、方便易操作、高分辨力地測量被測物體表面距探頭表面距離。本發明的全光纖頻域干涉納米微位移傳感系統，其特點是所述系統的寬帶光源與光纖環行器的端口 I通過光纖連接，光纖環行器的端口 II與石英光纖探針的一端通過光纖連接，光纖環行器的端口 III與光譜儀通過光纖連接，各部件的尾纖之間通過法蘭盤或者熔接法連接。本發明中的寬帶光源輸出的光波譜線寬度大于2nm，光纖環行器和光譜儀的帶寬范圍與寬帶光源的帶寬一致。本發明中的石英光纖探針的另一端為平頭端，從平頭端端面反射的光波與被測物體反射的光波以共軸方式在石英光纖探針的尾纖中傳輸。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是，寬帶光源、光纖環行器、石英光纖探針和光譜儀通過光纖連接，寬帶光源輸出光束從光纖環行器的端口 I輸入，由端口 II輸出到石英光纖探針，石英光纖探針的端面為平頭。光束從石英光纖探針端面出射的時候，部分光從端面直接反射回來，叫做參考光束，另一部分光照射到被測物體上發生反射，由石英光纖探針收集返回，叫做探測光束。參考光束和探測光束一起通過光纖返回到光纖環行器的端口 II，然后從端口III出射并傳輸到光譜儀，光譜儀記錄干涉信息。由于參考光束和探測光束都是寬帶光束，而且存在一定量的光程差，所以光譜儀記錄的光譜上會出現隨波長變化的干涉條紋，即頻域干涉條紋。記石英光纖探針端面到被測物體的距離的數學形式為光譜儀記錄的頻域干涉條紋的數學表達式可以寫為
/(I) = I0(A)■ cos(2ir- 2nd /1).........................(I)
式中』是光波長，Z0U)是寬帶光源輸出光的強度分布函數，是空氣的折射率。用光頻率K替換式(I)中的波長』，式(I)可以寫成
I(I) = Z0(I) cos(2jt^-p)..........................(2)
C
式中K= c/λ，c為真空中的光速。由(2)式可知，在頻域上干涉場的強度分布有固定的周期性，所以這種干涉被命名為頻域干涉。頻域干涉條紋的重復頻率與參考光束和探測光束之間的光程差2/ /緊密相關，它的物理意義是兩束光的傳輸時間差Λ i = 2/ i//c。將光譜儀記錄的干涉光譜數據中的波長轉換成頻率，然后進行傅立葉分析得出頻域條紋的重復 頻率，即參考光束和探測光束的傳輸時間差Λ ，然后通過計算可以得到石英光纖探針端面到被測物體的距離d。本發明的有益效果是，經過反復的實驗驗證具備測量納米級微位移的能力，被測物體可以是金屬和非金屬，突破了當前一些傳感器無法測量非金屬對象這一限制。本發明的測量系統采用全光纖結構器件，大大降低了調試和操作難度，有利于推廣使用。從技術方案闡述可知，本發明的測量系統中的參考光束和探測光束經過相同的路徑傳輸到光譜儀記錄，這種共軸式結構有助于避開環境溫度震動等因素對測量的影響，抗干擾能力強。本發明的測量系統為非接觸式的位移傳感系統，能靜態和動態地測量被測物體表面與探頭表面的距離。
圖I為本發明全光纖頻域干涉納米微位移測量系統的結構示意 圖中，I.寬帶光源 2.光纖環行器 3.石英光纖探針 4.光譜儀 5.被測物體。
具體實施例方式圖I為本發明全光纖頻域干涉納米微位移測量系統的結構示意圖，如圖I所示，本發明的測量系統中的寬帶光源I與光纖環行器2的端口 I通過光纖連接，光纖環行器2的端口 II與石英光纖探針3通過光纖連接，光纖環行器2的端口 III與光譜儀4通過光纖連接，尾纖之間通過法蘭盤或者熔接法連接。寬帶光源I的譜線寬度為IOnm ；
光纖環行器2是帶寬包含寬帶光源I的三端口環形器，從端口 I輸入的光由端口 II輸出，從端口 II輸入的光由端口III輸出，端口 I與端口III高度隔離；
石英光纖探針3 —端帶有尾纖，另一端為平頭，用于測量收集反射信號；
所述的光譜儀4為光纖光譜儀，波長相應范圍包含寬帶光源I的光譜范圍。本發明的全光纖頻域干涉納米微位移測量系統的測量過程是第一步，按照圖I連接所有器件，開啟寬帶光源I和光譜儀4的電源；第二步，將石英光纖探針3的平頭端對準被測物體5，調節石英光纖探針3的對準角度，直到光譜儀4中出現高對比度的干涉條紋；第三步,將光譜儀記錄的干涉光譜數據傳輸至計算機終端,計算機終端將光譜數據中的波
長數據轉換成頻率數據，然后再進行傅立葉分析得出頻域條紋的重復頻率，最后通過計算得到石英光纖探針端面到被 測物體的距離。
權利要求
1.一種全光纖頻域干涉納米微位移測量系統，其特征在于所述系統的寬帶光源(I)與光纖環行器(2)的端口 I通過光纖連接，光纖環行器(2)的端口 II與石英光纖探針(3)的一端通過光纖連接，光纖環行器(2)的端口III與光譜儀(4)通過光纖連接，各部件的尾纖之間通過法蘭盤或者熔接法連接。
2.根據權利要求I所述的全光纖頻域干涉納米微位移測量系統，其特征在于所述系統的寬帶光源(I)輸出的光波譜線寬度大于2nm。
3.根據權利要求I所述的全光纖頻域干涉納米微位移測量系統，其特征在于所述系統的光纖環行器(2)和光譜儀(4)的帶寬范圍與寬帶光源(I)的帶寬一致；石英光纖探針(3)的另一端為平頭端；從平頭端端面反射的光波與被測物體(5)反射的光波以共軸方式在石英光纖探針(3)的尾纖中傳輸。
全文摘要
本發明公開了一種全光纖頻域干涉納米微位移測量系統，所述系統的寬帶光源與光纖環行器的端口Ⅰ通過光纖連接，光纖環行器的端口Ⅱ與石英光纖探針的一端通過光纖連接，光纖環行器的端口Ⅲ與光譜儀通過光纖連接，各部件的尾纖之間通過法蘭盤或者熔接法連接。本發明的系統具備測量納米級微位移的能力，是一種非接觸式的測量裝置，能靜態和動態地測量被測物體表面距探頭表面距離，可以測量金屬和非金屬。本發明采用全光纖結構器件，大大降低操作難度，有利于裝置的推廣使用，抗干擾能力強。
文檔編號G01B11/02GK102645168SQ201210151060
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月16日 優先權日2012年5月16日
發明者傅秋衛, 劉倉理, 劉盛剛, 葉素華, 李劍峰, 李加波, 汪小松, 王為, 王翔, 翁繼東, 蔡靈倉, 譚華, 賈路峰, 陳宏 , 陶天炯 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所