一种非接触式位移测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种非接触式位移测量系统，包括光源模块、解调模块、传感模块，所述传感模块通过接收光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端分别通过A/D转换器、除法器与解调系统连接；所述传感模块包括金属壳体，所述金属壳体的一端设置有安装槽，所述蓝宝石玻璃设置在安装槽内，且蓝宝石玻璃与安装槽之间构成冷却腔；所述冷却腔的内部安装有光纤束，所述发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤的一端分别通过光纤转换连接头汇聚到设置在冷却腔内的光纤束；所述冷却腔内部通过惰性气体冷却。本发明专利技术通过蓝宝石玻璃可以隔离外部的高温、高压气体，并且通过冷却腔内部的冷气循环带走热量，保证系统的正常工作，具有较好的实用性。用性。用性。

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式位移测量系统


[0001]本专利技术属于位移测量的
，具体涉及一种非接触式位移测量系统。

技术介绍

[0002]在纳微米级的定位系统中，要求传感器能检测出微小的力和位移的信息。目前用于微位移检测的原理较多，如光学式位移传感器、光电式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、压电式位移传感器、以及超声波式位移传感器等多种类型。但这些位移传感器大多不能直接和长期应用于高温、高压等恶劣环境下。
[0003]位移传感器又称为线性传感器，是应用最广泛的传感器之一。电容式位移传感器一般量程都很小，小于1mm，其精度特别高，一般用于厚度测量，但是需要事先对被测体的导电性进行标定再进行测量，响应频率为几千赫兹到几十K赫兹不等，量程一般是mm级，精度一般是μm级。超声波式传感器属于非接触式测量传感器，其精度高，但由于声波脉冲间具有一定的间隔，因此，它只能实现准实时的位移检测，而不能实现实时的位移测量。电感式位移传感器，按其结构和原理一般都是由固定线圈和可动铁芯组成，当铁芯在线圈内沿轴向运动时，通过线圈电感的变化达到检测位移的目的。这些传统的位移传感器，普遍存在着测量范围较窄，结构较复杂，易受电磁干扰，应用场合有限等问题。
[0004]随着光纤制造技术的迅速发展和光纤材料的深入研究，光纤传感技术也得到了快速发展。光纤传感器与传统的各类传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、结构简单、体积小、重量轻等一系列独特的优点。因此，其在高温高压、辐射环境、工况监测、微机电等领域都具有极好的应用前景。以光作为传感和传导媒介的最大优势是传输容量大、抗电磁干扰能力强，以及作为光波载体的光纤(光波导)所具有的化学惰性和柔软性，光纤在传感领域不仅仅作为光信号的传输载体，而且开始成为传感的敏感单元。通过强度调制、相位调制等一系列手段调制光信号，使光信号直接成为位移、温度、压力、应变等传感量的测量手段。在智能材料、智能结构和大型结构监测，高电压、强磁场、核辐射以及生物医学等方面，光纤传感器是非常具有竞争力的测量手段。经过这些年的发展，光纤传感器在科研与工业应用中已经占有重要的一席之地，其主要的原因在于光纤与金属导线之间的根本区别，这一区别是由于光纤传感器具有以下一些独特的优点：
[0005](1)抗电磁干扰能力强、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，这使它可以方便有效的应用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣环境中。
[0006](2)灵敏度高。光纤传感器可以利用强度调制、频率调制、相位调制等一系列的手段对光信号进行处理。随着技术的进步，光源的发光效率、输出功率的稳定性等得到了显著提高，且由于光信号的频率很高，采用相位相干法进行测量的灵敏度非常高，远远高于一般的传感器。目前在很多领域均已得到应用：如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器；测量各种气体浓度的光纤化学传感器；测量各种生物量的光纤生物传感器等。
[0007](3)体积小、重量轻、可弯曲。光纤除了具有体积小、重量轻的特点外还有可弯曲的
优点，因此可以利用光纤制成尺寸小、重量轻、弯曲盘绕方便的各种传感器，这有利于航空航天以及在狭小空间中的应用。
[0008](4)测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。
[0009](5)对被测介质影响小，有利于在医药、卫生等具有复杂环境的领域中应用。
[0010](6)便于复用，便于组网。有利于与现有的光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。
[0011](7)成本低。有许多种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。
[0012]然而，光纤传感器用于实际测量主要存在的问题是长时间的漂移效应，光纤传感器的漂移效应来自光纤传输线的衰减，耦合器和分束器特性不完善，光源输出不稳定及探测器的影响等。两光纤端面如果出现纵向位移、横向位移，或两光纤轴出现焦度偏差，都会使耦合效率下降。光纤在严重的弯曲状态下会产生模式耦合，特别是导模和辐射模的耦合，从而使光纤传输损耗增大。
[0013]反射式光纤位移传感器工作时，光在光纤束端面发射出去的时候具有一定的发射角度，从光纤束端面看过去相当于一束锥形的光被发出并照射在被测物体的表面，光束在经过被测物体表面反射以后，以一个更大的光锥反射回来并被光纤束内的接收端接收。反射式位移传感器探测距离较小，但是探测精度较高，且与被探测物体之间不发生接触，这样就可以应用于很多诸如发电机叶片距离探测，发动机转速探测，强辐射环境下微小位移的探测等特殊领域内。光纤反射式位移探测需要被测物体的反射面平整、光滑，这样可以增加光的反射效率，耦合进入接收光纤的光功率较大，有利于光电转换器件对接收到的光信号做进一步处理。用于发电机内部进行叶片距离探测时，通过分析接收到的光信号的强度，就可以分析得知叶片转子与定子之间的微小距离；同时根据接收到的光强度的周期性变化规律可以计算得到发电机的转速信息。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于提供一种非接触式位移测量系统，旨在解决目前位移测量系统在高温、强电磁环境下测量不准确，容易失效的问题。本专利技术通过耐高温蓝宝石玻璃可以隔离外部的高温、高压气体，防止其进入传感器内部损伤敏感元件，并且在传感器的金属壳体内部设置冷却腔，可以在传感器工作于高温环境时，通过冷气循环带走热量，保证传感器的正常工作，具有较好的实用性。
[0015]本专利技术主要通过以下技术方案实现：
[0016]一种非接触式位移测量系统，包括光源模块、解调模块、传感模块，所述解调模块包括A/D转换器、除法器、解调系统；所述光源模块通过发射光纤与传感模块连接，所述传感模块通过接收光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端分别通过A/D转换器、除法器与解调系统连接；所述传感模块包括金属壳体、蓝宝石玻璃、光纤束、光纤转换连接头、发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤；所述金属壳体的一端设置有安装槽，所述蓝宝石玻璃设置在安装槽内，且蓝宝石玻璃与安装槽之间构成冷却腔；所述冷却腔的内部安装有光纤束，所述发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤的一端分别通过光纤转换连接头汇聚到设置在冷却腔内的光纤束；所述冷却腔内部通过惰性气体冷却。所述传感模块即为反射式
光纤位移测量传感器。
[0017]本专利技术在使用过程中，光源模块发出的光信号通过输入光纤进入光纤束，在光纤束的端面光信号发射出去并照射到被测物体的表面。光信号经被测物体表面反射后，部分光信号耦合进入第一接收光纤和第二接收光纤，第一接收光纤和第二接收光纤的尾端与光电探测器连接，接收到的光信号经过光电探测器转换为电信号以后输入到解调系统。在保持系统其他参数为定值的情况下，耦合进接收光纤的光强大小只会随着被测物体反射面与光纤束端面之间的距离而改变。对两路光信号强度进行对比就可以得到光纤束端面与被测物体表面之间的距离，即通过非接触式测量微小的位移变化。该技术方案位移测量部分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非接触式位移测量系统，其特征在于，包括光源模块、解调模块、传感模块，所述解调模块包括A/D转换器（16）、除法器（17）、解调系统（18）；所述光源模块通过发射光纤（1）与传感模块连接，所述传感模块通过接收光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端分别通过A/D转换器（16）、除法器（17）与解调系统（18）连接；所述传感模块包括金属壳体（9）、蓝宝石玻璃（8）、光纤束（5）、光纤转换连接头（4）、发射光纤（1）、第一接收光纤（2）、第二接收光纤（3）；所述金属壳体（9）的一端设置有安装槽，所述蓝宝石玻璃（8）设置在安装槽内，且蓝宝石玻璃（8）与安装槽之间构成冷却腔；所述冷却腔的内部安装有光纤束（5），所述发射光纤（1）、第一接收光纤（2）、第二接收光纤（3）的一端分别通过光纤转换连接头（4）汇聚到设置在冷却腔内的光纤束（5）；所述冷却腔内部通过惰性气体冷却。2.根据权利要求1所述的一种非接触式位移测量系统，其特征在于，所述光源模块包括从前至后依次连接的驱动电路（11）、光源（12）、光隔离器（13）；所述光源（12）通过光隔离器（13）与发射光纤（1）的另一端连接；所述光电探测器包括PD1光电探测器（14）、PD2光电探测器（15），所述第一接收光纤（...

【专利技术属性】
技术研发人员：代志国，代勇波，谭银银，谭向军，刘利，
申请(专利权)人：成都凯天电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：