一种利用光纤光栅进行精密位移的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种利用光纤光栅进行精密位移的方法及其装置。现有的光栅尺采用莫尔条纹原理制成，其最高精度只能达到微米级别，并且价格昂贵，不适宜大范围推广使用。本发明专利技术提供的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法是将光纤光栅上任意两点的信道之间位移转化为该两点信道的信道间隔变化量进行输出；同时还提供一种利用光纤光栅进行精密位移利用该方法制作的装置，包括光纤光栅和解调仪，光纤光栅上设置有沿光纤光栅表面移动的光电探测器，光电探测器与解调仪通信连接。本发明专利技术采用光纤光栅的纳米级特性原理制成，相对于传统的莫尔条纹光栅尺，其精度高、价格便宜、对使用环境的要求低、易于大范围推广使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密位移测量
，涉及到一种精密位移方法及其装置，具体是 指一种利用光纤光栅进行精密位移的方法及利用该方法制作的精密位移装置。
技术介绍
光栅尺是一种用来精密测量物体移动位移的工具，其主要在机床领域内广泛使 用。目前的光栅尺是利用莫尔条纹原理制成，由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副 光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗 相间）的规则条纹图形(称为莫尔条纹)，经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转 换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90°的正 弦波或方波，送入光栅数显表计数显示位移。目前高分辨率的光栅尺测量位移精度只能达 到微米量级，并且造价昂贵；同时此种光栅尺的安装条件和使用环境要求比较苛刻，不适宜 大范围推广使用。 光纤光栅（FiberBraggGrating,简称FBG))是利用光纤的光敏性制成，通过紫外 光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变 化，从而形成永久性空间的相位。光纤光栅（FBG)作为一种光无源器件，已经在光通信、传 感测量、位移监测等方面有大范围的应用。随着技术的发展，目前的光纤光栅的长度已由原 有的毫米级增加到现在的米级、十米级甚至更长的长度，由于光纤光栅的信道精度已经达 到纳米级别，因此将光纤光栅应用与物体移动位移的精密测量，实现位移纳米级精度控制， 可有效解决现有光栅尺不能实现高等级精度位移的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种利用光纤光栅进行精密位移的方法及其装置，其利用光 纤光栅纳米级精度特性进行位移控制，以解决现有光栅尺造价昂贵，安装使用环境要求苛 亥IJ，并且不能实现纳米级及以上精度位移的问题；同时还可实现其他精密位移的需求。 为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是： 一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，其特征在于：是将光纤光栅上任意两点信道 之间的位移量转化为该两点信道之间的信道间隔变化量进行输出。 上述的信道间隔变化量为该两点信道之间的信道间隔的累积叠加。 上述的一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，包括下述步骤： (1) 制备一定长度的光纤光栅； (2) 在解调仪中输入光电探测器在所述光纤光栅表面移动的位移量； (3) 解调仪将位移量转换为光纤光栅的信道数量并将其传输至光电探测器； (4) 光电探测器沿光纤光栅表面检测经过光纤光栅信道的数量并移动到所对应信道数 量的信道处。 上述一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，其特征在于：所述的位移量为从首 个信道开始，光电探测器沿光纤光栅表面移动所检测经过的光纤光栅信道的数量与光纤光 栅信道间隔的乘积。 上述的信道间隔相等。 一种利用光纤光栅进行精密位移的方法制作的精密位移装置，包括光纤光栅和解 调仪，所述的光纤光栅上设置有沿光纤光栅表面移动的光电探测器，所述的光电探测器与 所述的解调仪通信连接。 上述的光栅探测器还连接有数显装置。 上述的光纤光栅为固定在一装置内的直线状、环形、或其他形状。该装置可以是直 线状、环形、或其他形状的板材，将光纤光栅固定在装置上形成所述的形状。 上述的光纤光栅为体布拉格光栅（VolumeBraggGratings,简称VBG;又称体 全息光栅，VolumeHolographicGrating,简称VHG，本专利技术的下述叙述采用体布拉格光栅 VBG)。所述的体布拉格光栅（VBG)是在玻璃中刻入光栅(紫外光调制玻璃的折射率)制作而 成，其可与光纤光栅（FBG)具有相同的参数特征。 上述的玻璃是光敏玻璃、石英玻璃或其他玻璃。 上述的解调仪可以是调制解调器。 本专利技术相对于现有技术，具有如下优点和效果： 1、本专利技术采用光纤光栅（FBG)光学纳米级特性原理替代传统莫尔条纹原理的平面物理 性光栅尺实现高精度测量。传统的莫尔条纹光栅尺最高精度只有微米级别；而现有的光纤 光栅信道周期精度可以达到纳米、甚至皮米级别，相对于传统的光栅尺来说，本专利技术的方法 及其装置精度级别更高，可以将精密测量加工等级提高到纳米，甚至皮米级别。 2、由于莫尔条纹光栅尺的结构比较复杂，制作工艺难度大，使得高精度的莫尔条 纹光栅尺价格高达几十万元，十分昂贵；而现有光纤光栅的制作工艺已经相当成熟，其光栅 的长度也可以实现几米甚至百米长度的刻写，同时光纤光栅的封装结构简单，制作成本低 廉，适合大范围推广使用。 3、采用莫尔条纹原理制作的平面物理光栅尺对于环境的使用要求比较苛刻，尤其 是对一些高精度要求的机床来说，使用的环境洁净度、振动、噪声、温度等有严格的要求；而 本专利技术的装置可以避免上述环境因素的影响，降低了使用环境要求的限制，不仅能用于高 端机床设备上，同时可以用在对环境要求低的普通机床上，以实现精密位移的要求。【附图说明】 图1是本专利技术原理示意图。 图2是本专利技术实施例1装置结构示意图。 图3是本专利技术实施例3装置结构示意图。 图中，1-光纤光栅、2-光电探测器、3-解调仪、4-数显装置。【具体实施方式】 传统的光栅尺利用莫尔条纹原理制成，经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的 条纹转换成波形信号，送入光栅数显表计数显示位移。而本专利技术的原理在于：当在光纤中写 入光纤光栅（FBG)后，光纤光栅的信道间隔(也可以是相邻信道中心波长变化量)，在光纤内 相当于相临间隔的条纹，当光纤光栅为均匀周期时，信道间隔在写制光栅时可以确定。本发 明中，光电探测器沿光纤光栅（FBG)表面横向移动以累积叠加的方式检测经过光纤光栅信 道的数量，那么从首个信道开始，光电探测器沿光纤光栅表面横向移动的位移量为检测经 过的光纤光栅信道的数量与光纤光栅信道间隔的乘积，当计数出一定长度光纤光栅上的信 道数量相当于计算出光纤光栅的有效长度以实现精密位移。如图I(a)所示，当光纤光栅 为均匀周期时，光纤光栅上有n+1个信道，n+1个信道对应的光纤光栅的距离是L，那个从第 1个信道开始，L= 为信道间隔。如图I(b)所示,当光纤光栅为非均匀周期时， 其信道间隔为等差数列方式，L=n(Jtl+纛n+1)为第一个信道间隔，j|_n+1为第n+1个 信道的信道间隔，当光纤光栅为非均匀周期时，信道间隔成递减(递增）方式，其精度也成递 减(递增）方式。因此在本专利技术的下述叙述中，均是以均匀周期光纤光栅进行说明。 同时，在本专利技术中所述的光纤光栅（FBG)可以是体布拉格光栅（VBG)，所述的体布 拉格光栅（VBG)是利用玻璃的光敏性，通过紫外光对玻璃的折射率进行调制而成，而调制的 玻璃可以是光敏玻璃、石英玻璃或其他玻璃。体布拉格光栅（VBG)是在玻璃中刻入光栅制 作，而其光栅的刻入也是通过紫外光照射实现，由于体布拉格光栅（VBG)是通过在玻璃中刻 入光栅实现，光纤光栅（FBG)是通过在光纤中刻入光栅实现，两者同时也可以刻入参数相同 的光栅。 下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。 实施例1 参见图2, 一种利用光纤光栅进行精密位移的装置，包括一刻写好的长均匀周期光纤光 栅1和解调仪3 (或调制解调器)，所述的光纤光栅（FBG)I是通过在石英光纤上进行连续紫 外曝光方式获得，所述的解调仪3 (或调制解调器）带有按键式或触本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用光纤光栅进行精密位移的方法，是将光纤光栅上任意两点信道之间的位移量转化为该两点信道之间的信道间隔变化量进行输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠志，王彬，
申请(专利权)人：西安盛佳光电有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61