一种Berry相产生器和基于Berry相的光纤位移传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种Berry相产生器，包括传感器外壳和弹簧；所述传感器外壳上设置有一通道，所述通道的一端设置有固定端，所述通道的另一端设置有移动端；所述弹簧的一端与固定端相接，所述弹簧的另一端与移动端连接；所述弹簧与光纤固定连接，且所述弹簧移动压缩并带动光纤移动压缩，所述固定端上设置有第一光纤接口，所述移动端设置有第二光纤接口；所述光纤的一端与第一光纤接口相接，其用于接收信号产生模块发射的光信号，所述光纤的另一端与第二光纤接口相接，其用于将经光纤传输的光信号传输至信号处理模块。本发明专利技术还公开了一种基于Berry相的光纤位移传感器。本发明专利技术的光纤位移传感器通过测量光强的改变来测量位移信号，具有很高的精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种Berry相产生器和基于Berry相的光纤位移传感器
本专利技术涉及一种传感器
，尤其涉及一种Berry相产生器和基于Berry相的光纤位移传感器。
技术介绍
目前，实现位移的测量和控制有很多方法，较为常见的是采用基于电学量的位移传感器或者基于时钟脉冲控制的步进类传感器。前者按测量原理可分为电阻应变式、电容式、谐振式、压电式和光电式等，目前这类传感器主要基于MEMS的，借助于硅基材料的电学-力学特性，一般制作成薄膜状。使用方式是通过粘性物质将薄膜传感器粘贴在待测物表面。当待测物体因外界因素发生形变时使传感器薄膜的电学量发生改变，通过电学量的变化数值来检测量的大小。这类器件在被测量量值跨度较大时无法使用，其灵敏度也受温度和压强等外界因素影响明显，且存在零点漂移等问题；后者则较多用于周期性位移的控制或者测量，代表性的器件有基于步进电机制成的各类传感器等。虽然步进电机被广泛地应用于工业的各个领域，但步进电机并不像普通的交、直流电机，它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统相配合，结构复杂，成本较高，限制了此类传感器的应用领域。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种Berry相产生器，其能解决Berry相产生的技术问题。本专利技术的目的之二在于提供一种基于Berry相的光纤位移传感器，其能解决位移测量的技术问题。本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：一种Berry相产生器，包括传感器外壳和弹簧；所述传感器外壳上设置有一通道，所述通道的一端设置有固定端，所述通道的另一端设置有移动端；所述弹簧的一端与固定端相接，所述弹簧的另一端与移动端连接；所述弹簧与光纤固定连接，且所述弹簧移动压缩并带动光纤移动压缩，所述固定端上设置有第一光纤接口，所述移动端设置有第二光纤接口；所述光纤的一端与第一光纤接口相接，其用于接收信号产生模块发射的光信号，所述光纤的另一端与第二光纤接口相接，其用于将经光纤传输的光信号传输至信号处理模块。进一步地，所述传感器壳体为圆柱形壳体，所述通槽为圆形通槽。进一步地，所述第一光纤接口和第二光纤接口均为FC-APC型的法兰接口。进一步地，所述移动端上设置有滑块，所述传感器外壳内壁设置有滑槽，所述滑块用于与滑槽配合滑动。进一步地，所述滑槽为矩形槽，所述滑块为矩形滑块，所述矩形槽的数量为四个，且该四个矩形槽均匀设置于传感器外壳上，所述矩形滑块的数量为四个，且该四个矩形滑块与四个矩形槽一一对应。进一步地，所述通槽位于弹簧的中心轴处。进一步地，所述弹簧的半径为1cm、5cm或者10cm。本专利技术的目的之二采用如下技术方案实现：一种基于Berry相的光纤位移传感器，包括信号产生模块、偏振解调器和如上任意一项所述的Berry相产生器；所述信号产生模块包括光源和起偏器P1，所述起偏器P1用于将接收到光源发射的光信号转化为线偏振光传输至Berry相产生器；所述偏振解调器用于对经过Berry相产生器的线偏振光处理以得位移信号。进一步地，所述偏振解调器包括分束器、检偏器P2、光处理单元OPU1、MCU、检偏器P3和光处理单元OPU2；所述分束器用于将接收到的线偏振光分别传输至检偏器P2和检偏器P3，所述光处理单元OPU1用于对经检偏器P2的线偏振光进行处理以得光强比信号并将光强比信号传输至MCU，所述光处理单元OPU2用于将经检偏器P3的线偏振光进行处理以得方向信号并将方向信号传输至MCU，所述MCU根据接收到的光强比信号和方向信号以得位移信号。进一步地，所述光处理单元OPU1和光处理单元OPU2均包括光电二极管D1、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、电容R3、比较器U1和模数转换模块；所述光电二极管D1的正极接地，所述光电二极管D1的负极与比较器U1的正向输入端相接，所述电阻R1的一端和电容C1的一端接地，所述电阻R1的另一端和电容C1的另一端与比较器U1的负相输入端相接，所述电阻R2的一端和电容C2的一端与比较器U1的正向输入端相接，所述电阻R2的一端和电容C2的一端均与比较器U1的输出端相接，所述比较器U1的输出端通过电阻R3与模数转换模块的输入端相接，所述模数转换模块的输出端与MCU电性连接。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术的光纤位移传感器通过测量光强的改变来测量位移信号，具有很高的精确度。附图说明图1为本专利技术的Berry相产生器的剖面图；图2为本专利技术的Berry相产生器的传感器壳体的左视图；图3为本专利技术的Berry相产生器的移动端的结构示意图；图4为本专利技术的基于Berry相的光纤位移传感器的结构示意图；图5为本专利技术的偏振解调器的电路结构示意图；图6为本专利技术的光处理单元的电路结构示意图；图7为在弹簧不同半径下位移与光强的关系图。附图标记：1、传感器外壳；2、滑槽；3、弹簧；4、第二光纤接口；41、第一光纤接口；5、移动端；51、固定端；6、滑块。具体实施方式下面，结合附图以及具体实施方式，对本专利技术做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。本专利技术涉及的基于Berry相的光纤位移传感器可兼有普通位移传感控制器的测量连续性位移量的高灵敏度的优势和步进类传感控制器(比如基于步进电机的各类传感控制器)的测量周期性位移量的准确性和便捷性，具有代替步进电机以简化步进类传感控制器系统的潜力。可应用于多种场合，如工厂流水线系统、机械工业中往复式或者步进类控制系统，以及自动收/发货装置中的位移控制系统等。本专利技术利用光束在螺旋形光纤内产生的Berry相来检测位移的一种新型传感器。其原理：单模光纤绕在劲度系数为k的弹簧的外侧背脊处的圆形槽内，形成m圈螺旋形光纤。当弹簧在其弹性限度内受压或者受拉发生形变，从而产生某一位移Δx时，弹簧的螺距改变了Δx/m，螺旋形光纤的螺距也随之改变了Δx/m。而螺距的改变将导致光纤内光波矢的端点在动量空间内(P空间)的轨迹发生改变。当光经过螺旋型的光纤以后，其光波矢的端点在动量空间的轨迹是一闭合的曲线，由于光在光纤内传播不改变波矢的大小，因此在动量空间中光波矢的端点轨迹在一半径为|P|的球面上，其对应的Berry相γ大小即为该闭合曲线对应的立体角Ω,即为γ＝-mΩ＝-2πm(1-x/l),这里x为弹簧的长度，l为弹簧丝线的总长。当光波矢端点的轨迹改变时，在动量球|P|上引起的立体角的改变为ΔΩ＝-2πmΔx/l,相应地Berry相的改变为Δγ＝-ΔΩ＝2πmΔx/l＝Δx/R0,R0为初始状况下弹簧的等效半径。Berry相的改变使得光纤内的光场偏振态发生旋转，旋转的角度正好为相移的大小Δγ。若在光纤两端分别加上起偏器和检偏器，并假设在弹簧没有发生形变时，起偏器和检偏器的偏振方向相同，此时通过检偏器的光强最大，其值设为I0；当弹簧有一伸长量Δx时，则通过检偏器的光强变为从上式可得，初始状态时校准检偏器的偏振方向使得I＝I0，此时有x0＝2πnR0，此处n为小于m的整数，x0为初始状态时弹簧的原长。则有即其中代表*取值区间在(-π/2，π/2)。在检偏器的后方放置一个光电二级管，用于将光信号强度转化为电流的大小。从式(3)中可以看出此结构能测量的位移范围为(-πR0/2，πR0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Berry相产生器，其特征在于，包括传感器外壳和弹簧；所述传感器外壳上设置有一通道，所述通道的一端设置有固定端，所述通道的另一端设置有移动端；所述弹簧的一端与固定端相接，所述弹簧的另一端与移动端连接；所述弹簧与光纤固定连接，且所述弹簧移动压缩并带动光纤移动压缩，所述固定端上设置有第一光纤接口，所述移动端设置有第二光纤接口；所述光纤的一端与第一光纤接口相接，其用于接收信号产生模块发射的光信号，所述光纤的另一端与第二光纤接口相接，其用于将经光纤传输的光信号传输至信号处理模块。

【技术特征摘要】
1.一种Berry相产生器，其特征在于，包括传感器外壳和弹簧；所述传感器外壳上设置有一通道，所述通道的一端设置有固定端，所述通道的另一端设置有移动端；所述弹簧的一端与固定端相接，所述弹簧的另一端与移动端连接；所述弹簧与光纤固定连接，且所述弹簧移动压缩并带动光纤移动压缩，所述固定端上设置有第一光纤接口，所述移动端设置有第二光纤接口；所述光纤的一端与第一光纤接口相接，其用于接收信号产生模块发射的光信号，所述光纤的另一端与第二光纤接口相接，其用于将经光纤传输的光信号传输至信号处理模块。2.如权利要求1所述的Berry相产生器，其特征在于，所述弹簧上设置有通槽，所述通槽内设置有光纤与弹簧固定。3.如权利要求2所述的Berry相产生器，其特征在于，所述传感器壳体为圆柱形壳体，所述通槽为圆形通槽。4.如权利要求1或2或3所述的Berry相产生器，其特征在于，所述移动端上设置有滑块，所述传感器外壳内壁设置有滑槽，所述滑块用于与滑槽配合滑动。5.如权利要求4所述的Berry相产生器，其特征在于，所述滑槽为矩形槽，所述滑块为矩形滑块，所述矩形槽的数量为四个，且该四个矩形槽均匀设置于传感器外壳上，所述矩形滑块的数量为四个，且该四个矩形滑块与四个矩形槽一一对应。6.如权利要求2或3所述的Berry相产生器，其特征在于，所述通槽位于弹簧的中心轴处。7.如权利要求1所述的Berry相产生器，其特征在于，所述弹簧的半径为1cm、5cm或者10cm。8.一种基于Berry相的光纤位移传感器，其特征在于，包括信号产生模块、偏振解调器和如权利要求1-7...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟平，黄新成，李海旋，沈中波，
申请(专利权)人：刘伟平，
类型：发明
国别省市：广东,44