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1、(10)申请公布号 CN 103047934 A (43)申请公布日 2013.04.17 CN 103047934 A *CN103047934A* (21)申请号 201110310674.8 (22)申请日 2011.10.14 G01B 11/02(2006.01) G01B 11/14(2006.01) (71)申请人 无锡阿斯特科技有限公司 地址 214192 江苏省无锡市锡山经济开发区 芙蓉三路 99 号瑞云六座 515 室 (72)发明人 柳涛 左广辉 方习贵 王建伟 (54) 发明名称 一种光纤传感微距测量系统 (57) 摘要 本发明提出一种光纤传感微距测量系统， 包 括光源。
2、、 光探测器、 传感器探针、 反射单元、 无线发 射模块、 无线接收模块、 处理模块 ； 所述传感器探 针接收光源发出的入射光， 经处理后， 将得到的反 射光发送至光探测器 ； 所述光电探测器将接收到 的光信号转换为电信号， 经处理后， 通过无线发射 模块、 无线接收模块发送至处理模块 ； 所述处理 模块根据光探测器接收的光信号大小与光纤端面 至反射面的距离存在的设定函数关系测量距离。 通过本发明提出的光纤传感微距测量系统， 可工 作在野外比较恶劣的环境， 长时间工作， 实现微小 距离或物体位移的无人监测并预警。本发明可用 于测量大型液压芯筒距离变化， 并且可随时监测 距离的变化， 既解放了人。
3、力， 又提高了工作效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 1/1 页 2 1. 一种光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 包括光源、 光探测器、 传感器探针、 反射单 元、 无线发射模块、 无线接收模块、 处理模块 ： 所述传感器探针接收光源发出的入射光， 经处理后， 将得到的反射光发送至光探测 器 ； 所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号， 经处理后， 通过无线发射模块、 无线 接收模块发送至处理模块 ； 所述处理模块根据光探测器接收的。
4、光信号大小与光纤端面至反射面的距离存在的设 定函数关系测量距离。 2. 如权利要求 1 所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 所述传感器探针包括一 根单模光纤、 一根或多根多模光纤 ； 所述光源发射出来的光经由单模光纤传至反射单元， 在 反射单元产生反射， 反射光被所述一根或多根多模光纤接收， 接收的光信号经由多模光纤 传至光探测器。 3. 如权利要求 2 所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 所述单模光纤与光源连 接， 多模光纤与光探测器连接 ； 传感器探针通过机械部件固定在传感器探头内。 4. 如权利要求 2 所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 所述一根或多根多模光 纤。
5、与所述单模光纤平行。 5. 如权利要求 1 所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 所述传感器探头一端封 装平行的一根单模光纤和至少一根多模光纤， 成为一个探针。 6. 如权利要求 5 所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 所述传感器探头另一端 的一根或多根多模光纤和一光探测器封装耦合， 单模光纤的另一端熔接一 FC/APC 光纤连 接头 ； 7. 如权利要求 1 至 6 之一所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 所述光源为 1550nm DFB 激光器。 8.如权利要求1至6之一所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 所述光探测器为 PIN 光电二极管。 9.如权利要求1。
6、至6之一所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 所述处理模块为 计算机。 10. 如权利要求 1 至 6 之一所述的光纤传感微距测量系统， 其特征在于， 还包括光纤耦 合器， 分别连接光源、 光探测器、 传感器探针。 权 利 要 求 书 CN 103047934 A 2 1/5 页 3 一种光纤传感微距测量系统 技术领域 0001 本发明属于测试测量技术领域， 涉及一种微距测量系统， 特别涉及一种光纤传感 微距测量系统。 背景技术 0002 传感器是一种物理装置或生物器官， 能够探测、 感受外界的信号、 物理条件 ( 如 光、 热、 湿度 ) 或化学组成 ( 如烟雾 )， 并能将检测感受到。
7、的信息， 按一定规律变换成为电信 号或其他所需形式的信息输出， 以满足信息的传输、 处理、 存储、 显示、 记录和控制等要求。 传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。 0003 根据传感器工作原理， 可分为物理传感器和化学传感器二大类。传感器工作原理 的分类物理传感器应用的是物理效应， 诸如压电效应， 磁致伸缩现象， 离化、 极化、 热电、 光 电、 磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学 吸附、 电化学反应等现象为因果关系的传感器， 被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 有些传感器既不能划分到物理类， 也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基。
8、 础运作的。 化学传感器技术问题较多， 例如可靠性问题， 规模生产的可能性， 价格问题等， 解 决了这类难题， 化学传感器的应用将会有巨大增长。 0004 按照传感器用途分类， 传感器可分为 ： 压力敏和力敏传感器位置传感器、 液面传感 器能耗传感器、 速度传感器加速度传感器、 射线辐射传感器热敏传感器、 24GHz 雷达传感器 等。 0005 传感器有两个比较重要的特性 ： 传感器静态特性、 传感器动态特性。 0006 传感器的静态特性是指对静态的输入信号， 传感器的输出量与输入量之间所具有 相互关系。 因为这时输入量和输出量都和时间无关， 所以它们之间的关系， 即传感器的静态 特性可用一个。
9、不含时间变量的代数方程， 或以输入量作横坐标， 把与其对应的输出量作纵 坐标而画出的特性曲线来描述。 表征传感器静态特性的主要参数有 ： 线性度、 灵敏度、 迟滞、 重复性、 漂移等。 0007 (1) 线性度 ： 指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程 度。 定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之 比。 0008 (2) 灵敏度 ： 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量 与引起该增量的相应输入量增量之比。用 S 表示灵敏度。 0009 (3) 迟滞 ： 传感器在输入量由小到大 ( 正行程 ) 及输入量由大到小 ( 反。
10、行程 ) 变 化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号， 传感器的 正反行程输出信号大小不相等， 这个差值称为迟滞差值。 0010 (4) 重复性 ： 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时， 所得特性曲线不一致的程度。 0011 (5) 漂移 ： 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下， 传感器输出量随着时间变 说 明 书 CN 103047934 A 3 2/5 页 4 化， 此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面 ： 一是传感器自身结构参数 ； 二是周围环 境 ( 如温度、 湿度等 )。 0012 所谓动态特性是指传感器在输入变化时， 它的输。
11、出的特性。 在实际工作中， 传感器 的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。 这是因为传感器对标准输入信号的 响应容易用实验方法求得， 并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间 存在一定的关系， 往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正 弦信号两种， 所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 0013 由于传感器的上述特点， 传感器已经在大量应用于各个领域。 如距离测试领域。 传 统的距离测试， 一般选择米尺或者游标卡尺等长度计量工具， 但测试精度不高， 测试费时费 力， 工作效率低， 甚至会影响工作或工程的进度。在此情况下， 出现了一种。
12、基于光纤传感原 理的距离测量仪器， 利用激光， 来测量长度， 精度高， 使用方便。然而， 现有的基于光纤传感 原理的距离测量仪器在某些人接触不到的场所无法测量。 发明内容 0014 本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一， 特别是解决光纤传感微距测量系 统在距离测量中存在的问题。 0015 为达到上述目的， 本发明提出了一种光纤传感微距测量系统， 包括光源、 光探测 器、 传感器探针、 反射单元、 无线发射模块、 无线接收模块、 处理模块 ； 所述传感器探针接收 光源发出的入射光， 经处理后， 将得到的反射光发送至光探测器 ； 所述光电探测器将接收到 的光信号转换为电信号， 经处理后， 通过。
13、无线发射模块、 无线接收模块发送至处理模块 ； 所 述处理模块根据光探测器接收的光信号大小与光纤端面至反射面的距离存在的设定函数 关系测量距离。 0016 在本发明的一个实施例中， 所述传感器探针包括一根单模光纤、 一根或多根多模 光纤 ； 所述光源发射出来的光经由单模光纤传至反射单元， 在反射单元产生反射， 反射光被 所述一根或多根多模光纤接收， 接收的光信号经由多模光纤传至光探测器。 0017 其中， 所述单模光纤与光源连接， 多模光纤与光探测器连接 ； 传感器探针通过机械 部件固定在传感器探头内。所述一根或多根多模光纤与所述单模光纤平行。 0018 在本发明的一个实施例中， 所述传感器探。
14、头一端封装平行的一根单模光纤和至少 一根多模光纤， 成为一个探针。 0019 其中， 所述传感器探头另一端的一根或多根多模光纤和一光探测器封装耦合， 单 模光纤的另一端熔接一 FC/APC 光纤连接头 ； 0020 在本发明的一个实施例中， 所述光源为1550nmDFB激光器 ； 所述光探测器为PIN光 电二极管 ； 所述处理模块为计算机。 0021 在本发明的一个实施例中， 所述系统还包括光纤耦合器， 分别连接光源、 光探测 器、 传感器探针。 0022 通过本发明提出的光纤传感微距测量系统， 结合无线发射和无线接收装置， 可以 工作在野外比较恶劣的环境， 长时间工作， 实现微小距离或物体位。
15、移的无人监测并预警。 可 以用于测量大型液压芯筒距离变化， 从而代替传统的游标卡尺测量， 并且可随时监测距离 的变化， 既解放了人力， 又提高了工作效率 ； 也可以广泛应用于大坝， 铁轨等可能发生位置 说 明 书 CN 103047934 A 4 3/5 页 5 微小偏移的场所， 时刻监测大坝和铁轨位置的变化， 对保护人民生命和财产安全能起到巨 大的作用， 并产生巨大的社会效益和经济效益。 0023 由于系统包括光源、 光探测器和传感器探针， 传感器探针接收光源发出的入射光， 经处理后， 将得到的反射光发送至光探测器 ； 当探针与反射镜表面的距离发生变化时， 光探 测器接收的光功率将相应发生变。
16、化。 根据变化的功率值和对应的光纤端面到反射镜的距离 可以确定长度的变化值。经过信号处理以后， 由无线发射装置发出， 无线接收装置接收， 在 电脑上显示。 0024 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明 0025 本发明上述的和 / 或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解， 其中 ： 0026 图 1 为光纤传感微距测量系统组成框图 ； 0027 图 2 为光信号的传输示意图 ； 0028 图 3 为光纤传感装置的光路示意图 ； 0029 图 4 为光纤传感器探头部分的结构示意图。
17、 ； 0030 图 5 为传感器探针中光路的反射示意图 ； 0031 图 6 为光纤端面至反射面的距离 d 与反射光功率曲线示意图 ； 0032 图 7 为反射率曲线示意图 ； 0033 图 8 为光纤传感器控制盒的结构示意图 ； 0034 图 9 为光纤传感微距测量系统的组成示意图。 具体实施方式 0035 下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能解释为对本发明的限制。 0036 本发明的主要创新之处在于， 本发明创新地提。
18、出了新型的光纤传感微距测量系 统， 可以适用于野外比较恶劣的环境， 在远端实时对微小距离的无人监控并预警。 0037 请参阅图 1， 本发明揭示一种光纤传感微距测量系统， 该系统包括传感装置 10、 无 线发射模块 20、 无线接收模块 30、 处理模块 40。传感装置 10 包括光源 11、 光探测器 14、 传 感器探针 17、 反射单元 15。本实施例中， 所述光源 11 为 1550nm DFB 激光器， 所述光探测器 14 为 PIN 光电二极管， 所述反射单元 15 为反射镜， 所述处理模块 40 为计算机。 0038 所述传感器探针17包括一根单模光纤12、 一根或多根多模光纤1。
19、3 ； 所述一根或多 根多模光纤 13 与所述单模光纤 12 平行。所述单模光纤 12 与光源 11 连接， 多模光纤 13 与 光探测器 14 连接。 0039 请继续参阅图 1， 本发明系统的作用过程为 ： 所述光源 11 发射出来的光经由单模 光纤 12 传至反射单元 15， 在反射单元 15 产生反射， 反射光被所述一根或多根多模光纤 13 接收， 接收的光信号经由多模光纤 13 传至光探测器 14。所述光电探测器 14 将接收到的光 说 明 书 CN 103047934 A 5 4/5 页 6 信号转换为电信号， 经处理后， 通过无线发射模块20、 无线接收模块30发送至处理模块40。
20、。 所述处理模块40根据光探测器14接收的光信号大小与光纤端面至反射面的距离存在的设 定函数关系进行距离测量， 并在设定条件发生后发出预警信号。 0040 请参阅图 2， 图 2 揭示了光信号在光路中的传输方向， 其中从光源 11 发出的 1550nm光信号沿着单模光纤12传输， 被安装在光纤传感器探头内的光学反射镜15反射， 反 射回来的激光被多模光纤 13 接收， 然后传输至光探测器 14。所述系统还包括光纤耦合器 16， 分别连接光源 11、 光探测器 14、 传感器探针 17。光源 11 发出来的光信号沿单模光纤传 输至反射镜， 产生反射， 反射光被多模光纤 13 的端面接收， 再沿着。
21、多模光纤传输至光探测 器 14。 0041 请参阅图 3， 图 3 为光纤传感装置的光路示意图， 单模光纤 12 和多模光纤 13 的一 个端面是平行的 ； 另一端， 单模光纤 12 与光源 11 耦合， 多模光纤 13 与光探测器 14 耦合。 单模光纤和多模光纤的一端与反射镜的距离产生变化， 光探测器接收反射光的功率大小也 将产生变化。 0042 请参阅图 4， 传感器探针 17 通过机械部件固定在传感器探头内 ； 传感器探头包括 传感器探针 17、 反射镜以及机械部件等， 所述机械部件包括滑块、 传动杆、 精密弹簧等。传 动杆的一端受到压力作用的时候， 能够在滑块上自由移动， 从而固定在。
22、另一端的反射镜也 跟着移动， 改变反射镜与传感器探针的距离。 传感器探针固定在光纤连接器上， 与固定在传 动杆端面上的反射镜在一条水平线上， 从而实现探针和反射镜的对接。光学反射镜 15 通 过粘胶固定在传动杆的一端， 反射镜表面镀铝或镀银， 对波长为 1550nm 的激光反射率大于 99。 0043 本实施例中， 所述传感器探头的一端封装平行的一根单模光纤和至少一根多模光 纤， 成为一个探针 ； 所述传感器探头另一端的一根或多根多模光纤和一光探测器封装耦合， 单模光纤的另一端熔接一 FC/APC 光纤连接头。 0044 请参阅图5， 图5为光纤传感器探针的示意图。 传感器探针内封装有一根单模。
23、光纤 和至少一根多模光纤， 当从光源发出的光信号沿单模光纤传输至反射镜时产生反射， 反射 回来的光进入多模光纤， 由于多模光纤的芯径比较大， 能够接受更多的反射光信号， 反射光 信号在多模光纤传输， 最终被光探测器接收。 当入射光光功率一定时， 光探测器接收的反射 光功率的大小与 d 成一定的函数关系。 0045 请参阅图6， 图6为光纤端面和反射镜表面两者之间的距离d与反射光功率的关系 曲线， 若数据做好校准以后， 根据光探测器接收的光功率值， 可以得到光纤端面至反射镜的 距离值， 从数据和曲线能看出， 能够达到的精度是微米数量级， 利用这个规律， 可以很精确 的测量出长度。 0046 请参。
24、阅图 7， 图 7 为输入光功率为 3mw、 5mw、 7mw 时反射率曲线， 反射镜的表面反射 率由反射表面的镀膜材料决定。 0047 可通过调节位移平台旋转螺丝， 使得图 4 中探头传动杆将前后移动， 从而使传动 杆的另一端的反射镜与光纤端面的距离发生变化， 然后根据光功率的值的变化， 得到位移 变化的距离 ； 在实际测量中， 传感器探头的传动杆另一端与需要测试的物体接触， 若待测物 发生位移， 从而使传动杆位置发生变化， 导致传动杆另一端的反射镜与光纤端面距离变化， 得到了物体实际移动的距离。 说 明 书 CN 103047934 A 6 5/5 页 7 0048 如图8所示， 图8为光。
25、纤传感器控制盒， 做成产品以后， 光源、 光探测器、 电源、 电路 控制部分、 无线发射装置等都放置在盒内， 包括 1550nm 激光器、 PIN 光电二极管、 9V 可充电 电池， 以及电路部分等都集成封装在盒内。 0049 请参阅图 9， 图 9 为光纤传感微距测量系统的电路流程图， 包括激光器的驱动， 光 信号的接受和信号处理等部分。MCU 连接电源 EMI 处理模块、 激光器驱动模块、 ZIGBEE 无线 发送模块， 激光器驱动模块、 激光器、 测量 PD 传感器组、 高精度放大模块、 RC 低通滤波模块、 MCU 依次连接， ZIGBEE 无线发送模块、 ZIGBEE 无线接收模块、。
26、 计算机依次连接。 0050 尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 对于本领域的普通技术人员而言， 可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、 替换 和变型， 本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。 说 明 书 CN 103047934 A 7 1/5 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103047934 A 8 2/5 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103047934 A 9 3/5 页 10 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103047934 A 10 4/5 页 11 图 8 说 明 书 附 图 CN 103047934 A 11 5/5 页 12 图 9 说 明 书 附 图 CN 103047934 A 12 。