超精密光纤光栅位移传感器

摘要

本发明公开了一种超精密光纤光栅位移传感器，其特征是设置被固定的测头壳体，测头壳体为一筒状体，筒状体的底部为敞口，在敞口端面上，沿径向设置有一横梁；测杆是由相互平行的上片簧和下片簧固定在测头壳体的内侧壁上，并保持测杆与测头壳体为同轴，组成平行片簧导轨；在测杆的顶端设置压簧；测杆的底端探出测头壳体，并且在探出测头壳体的测杆的底端固联有硬测头。本发明灵敏度很高、结构简单、成本较低，能实现在小范围内纳米级测微精度。

权利要求

1.超精密光纤光栅位移传感器，其特征是：

设置被固定的测头壳体(2)，所述测头壳体(2)为一筒状体，筒状体的顶部具有中心螺孔；筒状体的底部为敞口，在所述敞口端面上，沿径向设置有一横梁(12)；

在所述测头壳体(2)的内部沿轴向设置一测杆(9)，所述测杆(9)是由相互平行的上片簧(3)和下片簧(4)固定在测头壳体(2)的内侧壁上，并保持测杆(9)与所述测头壳体(2)为同轴，组成平行片簧导轨；在所述测杆(9)的顶端设置压簧(6)，所述压簧(6)套装在测力调整螺母(5)上，所述测力调整螺母(5)以其外螺纹与所述测头壳体(2)的顶部中心螺孔螺纹连接，所述测力调整螺母(5)可以在所述中心螺孔中调整轴向位置；测杆(9)的底端探出测头壳体(2)，并且在探出测头壳体(2)的测杆的底端固联有硬测头(15)；

设置一根处在测杆(9)的中轴位置上的光纤光栅(8)，连接有信号传输线(16)的光纤光栅(8)的顶端固定在测杆(9)的顶端，光纤光栅(8)的底端固联在横梁(12)上。

2.根据权利要求1所述的超精密光纤光栅位移传感器，其特征是设置所述测力调整螺母(5)为具有轴向通孔，所述信号传输线(16)通过所述轴向通孔引出测头壳体(2)。

3.根据权利要求1所述的超精密光纤光栅位移传感器，其特征是在所述横梁(12)上设置有轴向位置可调的光纤张力调整螺母(13)，所述光纤光栅(8)的底端固联在所述光纤张力调整螺母(13)上。

说明书

超精密光纤光栅位移传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及高精度的位移传感器，更具体地说是一种纳米级的测微传感器。

背景技术

[0002] 随着加工技术的发展，对于高精度微小尺寸变量的测量技术的需求与日俱增。例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动等多种参数，因此接触式微位移测量仪被广泛应用于精密机械制造业、国防、科研以及计量部门。表1列举了国内外高精度的接触式微位移测量仪

[0003] 表1接触式位移测量仪技术参数比较

[0004]

[0005] 以上表1中，前两种基于电感式传感器的测微仪测量范围较小、精度高，但随着其测量范围的增大，精度越低。第三种基于光电式传感器的大量程测微仪，其使用条件苛刻，只能用于实验室测量，且价格昂贵。同时，这些测量仪本身结构复杂、体积大。鉴于此，作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤布拉格光栅FBG为基本传感器的传感技术的研究应用近年来受到普遍关注。光纤布拉格光栅FBG是一种新型传感元件，成本低、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、结构简单、尺寸小，且在一定的应用范围内有非常良好的线性。尤其是其本身是由光纤制作而成，便于与光纤结合，使得全光化的一维光子集成成为可能。

[0006] 目前，光纤布拉格光栅FBG被应用在三维测量中，其理论分辨率可达到pm量级，在实际应用中也可以达到nm量级。基于光纤布拉格光栅FBG的传感器应用在一维测量中，可以做到量程大且精度高。

[0007] 光纤布拉格光栅FBG如图1所示，栅格周期一般为102nm量级，折射率调制深度一-3 -5般为10 ～10 ，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。这种光纤布拉格光栅具有较窄的反-1
射带宽(约10 nm)和较高的反射率(约100％)，其反射带宽和反射率可以根据需要，通过改变写入条件而加以灵活的调节。光纤布拉格光栅FBG的传感原理如图2所示，宽带光源射入反射型FBG时，符合其中心波长的光能被反射，而其他波长的光能透射。

[0008] 光纤布拉格光栅FBG波长λB取决于光栅周期Λ和纤芯有效折射率neff。

[0009] λB＝2neffΛ (1)

[0010] 应力引起FBG中心波长漂移可由下式描述：

[0011] ΔλB＝2neffΔΛ+2ΔneffΛ (2)

[0012] 式中ΔΛ——光纤本身在应力作用下的弹性形变

[0013] Δneff——光纤的弹光效应引起的有效折射率变化

[0014] 由式2知，当FBG受轴向应变时中心波长将发生变化，采用相应的解调方法即可得出应变的大小。

[0015] 为了增加传感器的敏感度，通常选用直径为125um左右的光纤布拉格光栅FBG作为纳米级传感器，由于其非常纤细，当受到压应力和非轴向力时，很容易发生弯曲变形，从FBG原理可知中心波长取决于光栅周期和纤芯有效折射率，有学者做过实验，当测力不变时，FBG弯曲变形时，光栅周期和纤芯有效折射率变化比轴向变形要小的多，所以灵敏度不高，但当FBG受到拉应力时，中心波长变化很敏感。

[0016] 已经有研究人员利用光纤布拉格光栅的轴向应变灵敏度高的特点制作三维触发测头，当测球和被测工件之间存在轴向接触力时，测杆以及FBG受到一定的压缩应变，这个应变引起FBG的中心波长变化，通过干涉解调获得应变量。其分辨率达到60nm，而当受到非轴向接触力时，分辨率甚至只能到10um，且轴向接触只能用于产生接触信号，还不能用于测量微位移。

发明内容

[0017] 本发明是为了避免现有测微传感器的不足之处，提供一种灵敏度很高、结构简单、成本较低，能实现在小范围内纳米级测微精度的超精密光纤光栅位移传感器。

[0018] 本发明解决技术问题采用如下的技术方案：

[0019] 本发明超精密光纤光栅位移传感器的结构特点是：

[0020] 设置被固定的测头壳体，所述测头壳体为一筒状体，筒状体的顶部具有中心螺孔；筒状体的底部为敞口，在所述敞口端面上，沿径向设置有一横梁；

[0021] 在所述测头壳体的内部沿轴向设置一测杆，所述测杆是由相互平行的上片簧和下片簧固定在测头壳体的内侧壁上，并保持测杆与所述测头壳体为同轴，组成平行片簧导轨；在所述测杆的顶端设置压簧，所述压簧套装在测力调整螺母上，所述测力调整螺母以其外螺纹与所述测头壳体的顶部中心螺孔螺纹连接，所述测力调整螺母可以在所述中心螺孔中调整轴向位置；测杆的底端探出测头壳体，并且在探出测头壳体的测杆的底端固联有硬测头；

[0022] 设置一根处在测杆的中轴位置上的光纤光栅，连接有信号传输线的光纤光栅的顶端固定在测杆的顶端，光纤光栅的底端固联在横梁上；

[0023] 本发明超精密光纤光栅位移传感器的结构特点也在于：

[0024] 设置所述测力调整螺母为具有轴向通孔，所述信号传输线通过所述轴向通孔引出测头壳体。

[0025] 在所述横梁上设置有轴向位置可调的光纤张力调整螺母，所述光纤光栅的底端固联在所述光纤张力调整螺母上。

[0026] 传感器的设计行程为50um，测杆的轴向微动的定位和导向是由上片簧和下片簧组成的平行片簧导轨实现的。使用这种平行片簧导轨，在微动范围内不存在滑动、滚动等形式导轨的动、静摩擦力之差，可以达到很高的位移分辨率、定位精度以及精度稳定性。

[0027] 在行程范围内，测头的轴向位移的变化会引起测杆内光纤光栅所受拉力的变化，光纤输出信号经解调后可获得光纤应变的大小，从而可以反映测头位置的变化。

[0028] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

[0029] 1、本发明利用光纤布拉格光栅作为位移传感器的应变元件，并且利用的是光纤光栅的拉伸应变，因此灵敏度较高，结构也并不复杂。

[0030] 2、本发明中传感器测杆由平行片簧导轨进行导向，无机械摩擦、无磨损、无间隙，因此可以达到很高的分辨率和位移精度，本发明分辨率可达2nm，量程可达50um。

附图说明

[0031] 图1为光纤布拉格光栅结构原理。

[0032] 图2为光纤布拉格光栅传感原理。

[0033] 图3a为本发明传感器外形示意图；

[0034] 图3b为本发明传感器中上片簧和下片簧结构示意图；

[0035] 图3c为本发明传感器测量原理示意图。

[0036] 图4为本发明传感器剖视结构示意图；

[0037] 图中标号：1传感器装夹、2测头壳体、3上片簧、4下片簧、5测力调整螺母、6压簧、7光纤顶部固定端、8光纤光栅、9测杆、10光纤底部固定端、11止转楔块、12横梁、13光纤张力调整螺母、14测头联接件、15硬测头、16信号传输线。

具体实施方式

[0038] 参见图3a、图3b、图3c和图4，本实施例中设置由传感器装夹1进行固定的测头壳体2，测头壳体2为一筒状体，筒状体的顶部具有中心螺孔；筒状体的底部为敞口，在敞口端面上，沿径向设置有一横梁12；

[0039] 在测头壳体2的内部沿轴向设置一测杆9，测杆9是由相互平行的上片簧3和下片簧4固定在测头壳体2的内侧壁上，并保持测杆9与测头壳体2为同轴，组成平行片簧导轨；在测杆9的顶端设置有压簧6，压簧6套装在测力调整螺母5上，测力调整螺母5以其外螺纹与测头壳体2的顶部中心螺孔螺纹连接，测力调整螺母5可以在中心螺孔中调整轴向位置；测杆9的底端探出测头壳体2，并且在探出测头壳体2的测杆的底端固联有硬测头15；

[0040] 设置一根处在测杆9的中轴位置上的光纤光栅8，连接有信号传输线16的光纤光栅8是以光纤顶部固定端7固定在测杆9的顶端，光纤光栅8的底端固联在横梁12上；设置测力调整螺母5为具有轴向通孔，信号传输线16通过轴向通孔引出测头壳体2；在横梁12上设置有轴向位置可调的光纤张力调整螺母13，光纤光栅8的底端固联在光纤张力调整螺母13上。

[0041] 具体实施中，为了使光纤光栅位移传感器实现其对微位移精密的测量，需要在装配传感器整机时按以下步骤来进行：

[0042] 步骤1、调整测头轴向测力的大小：如图4所示，首先按图示结构装配好整机，将套装有测杆9的上片簧3和下片簧4分别通过镙钉锁紧在测头壳体2的不同轴向位置上；然后将压簧6通过测力调整螺母5装配在测杆9的顶端，通过上下调整测力调整螺母5来调整测杆9的测力大小到符合测量要求，调整时借助测力计等工具。

[0043] 步骤2、调整光纤光栅8的张力：卸下测头联接件14，从测杆的底部调整光纤张力调整螺母13，以此微调光栅底部固定端10的轴向位置，实现对光纤光栅8的张力的调整。在光栅底部固定端10的一旁，设置有止转楔块11，用于防止在调整张力调整螺母时光纤底部固定端10旋转，以此避免由于旋转对光纤光栅8造成影响。通过观察信号传输线16的输出信号，直至光纤光栅的中心波长在解调器量程范围内后，锁定光纤张力调整螺母13，完成调整光纤光栅的测量范围的工作。

[0044] 步骤3、安装测头：在以上两个步骤完成后，锁定各调整件的位置，并将装有硬测头15的测头连接件14安装在测杆9的底端下面。

[0045] 如图3c所示，传感器可以感受测头轴向的位移变化。当传感器测头与被测物体接触，产生沿测杆轴向的微动时，测头的位移转化为光纤光栅的拉伸，使FBG光纤产生弹性形变，根据式(2)，FBG的中心波长发生漂移，将输出的信号经解调后转换为随测头位移而线性变化的电压。由于光纤光栅对拉伸较为敏感，所以整个传感器分辨率很高，精度也很高。