专利名称：一种全光纤频域干涉纳米微位移测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位移传感器，尤其是具备纳米级位移分辨能力的传感装置。
背景技术：
位移是物体的位置在运动过程中的移动量，位移的测量所涉及的范围相当广泛，其中，微位移的测量涉及精密计量与微机电系统等，通过测量位移可以间接检测到很多物理量，如加速度、压强和应力等。目前，微位移通常用电感式、光栅式和涡流式等传感器来检 测。电感式位移传感器带有无滑动触点，虽然工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，但是测量对象必须是金属导体，此外由于是接触测量，因此可能会对被测对象带来负面影响。光栅式传感器虽具有易实现数字化、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，但是测量精度一般在微米级，一般应用在机床加工、检测仪表等行业中。涡流式传感器利用电涡流效应能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离，但是被测体必须是金属导体，这个缺点限制了它的广泛应用。综上所述，目前的位移传感技术在测量纳米级微位移存在不足，难以满足精密计量与微机电系统等方面日益发展的要求。
发明内容
为了对金属与非金属物体进行纳米级微位移的测量，本发明提供一种全光纤频域干涉纳米微位移测量系统，该传感系统能静态和动态地非接触、方便易操作、高分辨力地测量被测物体表面距探头表面距离。本发明的全光纤频域干涉纳米微位移传感系统，其特点是所述系统的宽带光源与光纤环行器的端口 I通过光纤连接，光纤环行器的端口 II与石英光纤探针的一端通过光纤连接，光纤环行器的端口 III与光谱仪通过光纤连接，各部件的尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接。本发明中的宽带光源输出的光波谱线宽度大于2nm，光纤环行器和光谱仪的带宽范围与宽带光源的带宽一致。本发明中的石英光纤探针的另一端为平头端，从平头端端面反射的光波与被测物体反射的光波以共轴方式在石英光纤探针的尾纤中传输。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，宽带光源、光纤环行器、石英光纤探针和光谱仪通过光纤连接，宽带光源输出光束从光纤环行器的端口 I输入，由端口 II输出到石英光纤探针，石英光纤探针的端面为平头。光束从石英光纤探针端面出射的时候，部分光从端面直接反射回来，叫做参考光束，另一部分光照射到被测物体上发生反射，由石英光纤探针收集返回，叫做探测光束。参考光束和探测光束一起通过光纤返回到光纤环行器的端口 II，然后从端口III出射并传输到光谱仪，光谱仪记录干涉信息。由于参考光束和探测光束都是宽带光束，而且存在一定量的光程差，所以光谱仪记录的光谱上会出现随波长变化的干涉条纹，即频域干涉条纹。记石英光纤探针端面到被测物体的距离的数学形式为光谱仪记录的频域干涉条纹的数学表达式可以写为
/(I) = I0(A)■ cos(2ir- 2nd /1).........................(I)
式中』是光波长，Z0U)是宽带光源输出光的强度分布函数，是空气的折射率。用光频率K替换式(I)中的波长』，式(I)可以写成
I(I) = Z0(I) cos(2jt^-p)..........................(2)
C
式中K= c/λ，c为真空中的光速。由(2)式可知，在频域上干涉场的强度分布有固定的周期性，所以这种干涉被命名为频域干涉。频域干涉条纹的重复频率与参考光束和探测光束之间的光程差2/ /紧密相关，它的物理意义是两束光的传输时间差Λ i = 2/ i//c。将光谱仪记录的干涉光谱数据中的波长转换成频率，然后进行傅立叶分析得出频域条纹的重复 频率，即参考光束和探测光束的传输时间差Λ ，然后通过计算可以得到石英光纤探针端面到被测物体的距离d。本发明的有益效果是，经过反复的实验验证具备测量纳米级微位移的能力，被测物体可以是金属和非金属，突破了当前一些传感器无法测量非金属对象这一限制。本发明的测量系统采用全光纤结构器件，大大降低了调试和操作难度，有利于推广使用。从技术方案阐述可知，本发明的测量系统中的参考光束和探测光束经过相同的路径传输到光谱仪记录，这种共轴式结构有助于避开环境温度震动等因素对测量的影响，抗干扰能力强。本发明的测量系统为非接触式的位移传感系统，能静态和动态地测量被测物体表面与探头表面的距离。
图I为本发明全光纤频域干涉纳米微位移测量系统的结构示意 图中，I.宽带光源 2.光纤环行器 3.石英光纤探针 4.光谱仪 5.被测物体。
具体实施例方式图I为本发明全光纤频域干涉纳米微位移测量系统的结构示意图，如图I所示，本发明的测量系统中的宽带光源I与光纤环行器2的端口 I通过光纤连接，光纤环行器2的端口 II与石英光纤探针3通过光纤连接，光纤环行器2的端口 III与光谱仪4通过光纤连接，尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接。宽带光源I的谱线宽度为IOnm ；
光纤环行器2是带宽包含宽带光源I的三端口环形器，从端口 I输入的光由端口 II输出，从端口 II输入的光由端口III输出，端口 I与端口III高度隔离；
石英光纤探针3 —端带有尾纤，另一端为平头，用于测量收集反射信号；
所述的光谱仪4为光纤光谱仪，波长相应范围包含宽带光源I的光谱范围。本发明的全光纤频域干涉纳米微位移测量系统的测量过程是第一步，按照图I连接所有器件，开启宽带光源I和光谱仪4的电源；第二步，将石英光纤探针3的平头端对准被测物体5，调节石英光纤探针3的对准角度，直到光谱仪4中出现高对比度的干涉条纹；第三步,将光谱仪记录的干涉光谱数据传输至计算机终端,计算机终端将光谱数据中的波
长数据转换成频率数据，然后再进行傅立叶分析得出频域条纹的重复频率，最后通过计算得到石英光纤探针端面到被 测物体的距离。
权利要求
1.一种全光纤频域干涉纳米微位移测量系统，其特征在于所述系统的宽带光源(I)与光纤环行器(2)的端口 I通过光纤连接，光纤环行器(2)的端口 II与石英光纤探针(3)的一端通过光纤连接，光纤环行器(2)的端口III与光谱仪(4)通过光纤连接，各部件的尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接。
2.根据权利要求I所述的全光纤频域干涉纳米微位移测量系统，其特征在于所述系统的宽带光源(I)输出的光波谱线宽度大于2nm。
3.根据权利要求I所述的全光纤频域干涉纳米微位移测量系统，其特征在于所述系统的光纤环行器(2)和光谱仪(4)的带宽范围与宽带光源(I)的带宽一致；石英光纤探针(3)的另一端为平头端；从平头端端面反射的光波与被测物体(5)反射的光波以共轴方式在石英光纤探针(3)的尾纤中传输。
全文摘要
本发明公开了一种全光纤频域干涉纳米微位移测量系统，所述系统的宽带光源与光纤环行器的端口Ⅰ通过光纤连接，光纤环行器的端口Ⅱ与石英光纤探针的一端通过光纤连接，光纤环行器的端口Ⅲ与光谱仪通过光纤连接，各部件的尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接。本发明的系统具备测量纳米级微位移的能力，是一种非接触式的测量装置，能静态和动态地测量被测物体表面距探头表面距离，可以测量金属和非金属。本发明采用全光纤结构器件，大大降低操作难度，有利于装置的推广使用，抗干扰能力强。
文档编号G01B11/02GK102645168SQ201210151060
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者傅秋卫, 刘仓理, 刘盛刚, 叶素华, 李剑峰, 李加波, 汪小松, 王为, 王翔, 翁继东, 蔡灵仓, 谭华, 贾路峰, 陈宏 , 陶天炯 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所
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