用于检测球面运动的位移传感器及球面电机制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于检测球面运动的位移传感器及球面电机，包括光纤涂覆层及设于所述光纤涂覆层内的一个第一光纤及多个第二光纤，多个所述第二光纤围绕所述第一光纤分布，所述第一光纤输出激光，各所述第二光纤接收所述激光。通过一个位移传感器即可实现对球面相对运动的位移检测，结构简单，检测方便。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术是关于一种用于检测内、外球面相对运动的位移传感器。 
技术介绍
球面相对运动的检测比较复杂，其外球面和内球面可以产生相对的纬度位移和经度位移。为了检测内、外球面的相对位移，一般需要设置单独用于检测纬度位移的传感器和单独用于检测经度位移的传感器，不仅结构复杂，而且安装不方便。 
技术实现思路
本技术提供一种新的用于检测球面运动的位移传感器。 本技术提供一种用于检测球面运动的位移传感器，包括光纤涂覆层及设于所述光纤涂覆层内的一个第一光纤及多个第二光纤，多个所述第二光纤围绕所述第一光纤分布，所述第一光纤输出激光，各所述第二光纤接收所述激光。 位移传感器用于检测第一球面和第二球面的相对运动，第一球面和第二球面同球心并能够绕该球心相对转动，该位移传感器可以固定于该第一球面，其第一光纤输出激光到第二球面，经第二球面延时反射后的激光被第二光纤接收。 进一步的，以与所述第一光纤垂直相交的横切面作为投影面，各所述第二光纤的轴线在所述投影面上的投影同圆周，且所述第一光纤的轴线在所述投影面上的投影是所述圆周的圆心。 进一步的，所述第二光纤有偶数个并围绕所述第一光纤均匀分布。 进一步的，所述第一、二光纤均具有光纤纤芯及光纤包层，所述光纤纤芯具有光锥，且所述光锥的大端朝外。 一种球面电机，包括定子球面、动子球面及位移传感器，所述定子球面固定，所述动子球面支撑在球形关节上，所述动子球面、定子球面和球形关节同球心，所述位移传感器固定于所述动子球面，所述位移传感器与处理器单元信号连接，所述处理器单元根据所述位移传感器的第二光纤采集的激光信号，计算出所述内、外球面的相对位移。 球面电机还可以包括多个光电转换单元、多个信号放大单元及信号采集单 元，通过各光电转换单元将其对应的各第二光纤接收的激光信号转换为电信号，各电信号经对应的信号放大单元放大，处理器单元通过信号采集单元采集放大后的所有电信号，处理器单元根据所有电信号计算出内、外球面相对运动的位移。 内、外球面相当于前述的第二、第一球面。 对于各第二光纤，其接收激光的光强Gi与S、t相关，其中，t表示时间；以与第一光纤的轴线垂直相交的横切面为投影面，对于各第二光纤光锥的大端在该投影面上的投影，内、外球面相对运动前、运动后的投影相交产生的月牙形状的面积为S。 进一步的，所述定子球面的面向所述动子球面的表面设有涂层，所述涂层使第一光纤的照射光和第二光纤的接收光存在延时，且光的强度产生变化。 本技术的有益效果是：通过一个位移传感器即可实现对球面相对运动的位移检测，结构简单，检测方便。 附图说明图1是本实施方式位移传感器的使用原理示意图； 图2是本实施方式位移传感器的检测原理示意图； 图3是本实施方式位移传感器的横切面示意图； 图4是本实施方式位移传感器的第一、二光纤的结构示意图； 图5是本实施方式位移传感器的第二光纤接收到的光信号的变化计算原理图； 图6是应用本实施方式位移传感器的位移检测模块的结构框图。 具体实施方式下面通过具体实施方式结合附图对本技术作进一步详细说明。 用于检测球面运动的位移传感器具有一组光纤，该组光纤按照圆柱形排布，中间一根光纤输出激光，其它光纤接收激光，根据每根光纤接收到激光信号的强度变化规律，计算出内、外球面相对运动的方向和位移，进而计算出速度和加速度。 如图1至图5所示，本实施方式位移传感器13用于检测外球面和内球面的相对位移。位移传感器包括光纤涂覆层1及设于该光纤涂覆层1内的一个第一 光纤2和多个第二光纤3，各第二光纤3围绕该第一光纤2均匀分布，第一光纤2输出激光，第二光纤3接收激光。第一光纤2和第二光纤3同轴线。 位移传感器13固定设于第一球面，该第一球面和第二球面同球心并能够绕该球心相对转动。第一光纤2向第二球面发射激光，经第二球面反射后的激光被第二光纤3接收。 第一、二光纤2、3均可以包括位于中央位置的光纤纤芯4和包覆该光纤纤芯的光纤包层5，第一光纤2的光纤纤芯4输出激光，第二光纤3的光纤纤芯4接收激光。第一光纤的光纤纤芯可以与各第二光纤的光纤纤芯平行。 第一、二光纤的光纤纤芯均具有光锥6，该光锥6的大端朝外。 结合图5所示，圆的大小为第二光纤3光锥6的大端在该光纤的横切面上投影的面积，设圆的半径为R，半径R代表接收激光的面积大小，当第一球面相对第二球面运动时，假设圆心的位置由A点移动到了B点，AB间的距离为2L，图5中圆移动后产生的月牙形状的面积为S。 对于每一根第二光纤，其接收到的激光的光强Gi=f1(i,S,t),其中i为第二光纤的编号,编号与位置相关(如将图3中各第二光纤按位置顺次编号为1～6),第i根光纤接收到的光强Gi与其所处位置、球面相对运动所造成的月牙形状面积S和时间t相关。对于f1，其与S、t相关，其可以根据要求设计出多种具体的函数关系。由于传感器的R是确定的，而S=f2(R,L,t)的变化引起Gi的变化，可导出L=f3(S,t)=f4(Gi)，i：（1～n）;L为第一球面相对第二球面运动的位移，其一阶导数为运动速度，二阶导数为运动的加速度。1～n分别表示各根第二光纤。 具体的， X0=Σi=1nGicosθiRi]]>此处Ri为各第二光纤中心到第一光纤中心的距离，θi为各第二光纤中心和第一光纤中心的连线与X轴的夹角；X轴、Y轴垂直并相交于第一光纤中心，同时通过该X轴和Y轴的平面可以是该位移传感器的横切面，参照图3； Y0=Σi=1nGisinθiRi]]>θ=arcsinY0X02+Y02]]>θ为第一球面相对第二球面运动的方向角 L=X02+Y022]]>通过上述各公式，可以计算出第一、二球面相对运动的位移、方向、速度及加速度。 由于入射光(即第一光纤发射到第二球面上的激光)和反射光(经由第二球面反射后的激光)具有延时，所以，影响各第二光纤接收激光的光强变化的主要因素是月牙形状的面积S。 S=πR22-R2·arccosLR+LRcos(arcsin(LR))]]>假设R=125μm，L=0.1μm，则计算出S≈25μm2，整个圆的面积Pi*R2≈49087μm2，月牙形状的面积相当于整个圆的面积的大约万分之五，说明通过S来反映光强变化具有较高的灵敏度。 对于位移传感器，以与第一光纤的轴线垂直相交的平面(即横切面)作为投影面，各第二光纤的轴线在该投影面上的投影同圆周，且第一光纤的轴线在该投影面上的投影是该圆周的圆心。 对于位移传感器，第二光纤可以有偶数个，各第二光纤可以两两关于第一光纤对称。 如图1至图6所示，球面电机包括外球面7和内球面8，内球面固定，外球面支撑在球形关节上，外球面、内球面和球形关节可以同球心，内球面和外球面能够实现经度、纬度的相对运动。 球面电机还可以包括位移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测球面运动的位移传感器，其特征在于，包括光纤涂覆层及设于所述光纤涂覆层内的一个第一光纤及多个第二光纤，多个所述第二光纤围绕所述第一光纤分布，所述第一光纤输出激光，各所述第二光纤接收所述激光。

【技术特征摘要】
1.一种用于检测球面运动的位移传感器，其特征在于，包括光纤涂覆层及
设于所述光纤涂覆层内的一个第一光纤及多个第二光纤，多个所述第二光纤围
绕所述第一光纤分布，所述第一光纤输出激光，各所述第二光纤接收所述激光。
2.如权利要求1所述的用于检测球面运动的位移传感器，其特征在于，以
与所述第一光纤垂直相交的横切面作为投影面，各所述第二光纤的轴线在所述
投影面上的投影同圆周，且所述第一光纤的轴线在所述投影面上的投影是所述
圆周的圆心。
3.如权利要求2所述的用于检测球面运动的位移传感器，其特征在于，所
述第二光纤有偶数个并围绕所述第一光纤均匀分布。
4.如权利要求1所述的用于检测球面运动的位移传感器，其特征在于，所
述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦斌，杜戈果，禹世杰，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：实用新型
国别省市：