專(zhuān)利名稱(chēng)：：超精密光纖光柵位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及高精度的位移傳感器，更具體地說(shuō)是一種納米級(jí)的測(cè)微傳感器。
背景技術(shù)：
：隨著加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于高精度微小尺寸變量的測(cè)量技術(shù)的需求與日倶增。例如，檢查工件的厚度、內(nèi)徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動(dòng)等多種參數(shù)，因此接觸式微位移測(cè)量?jī)x被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械制造業(yè)、國(guó)防、科研以及計(jì)量部門(mén)。表1列舉了國(guó)內(nèi)外高精度的接觸式微位移測(cè)量?jī)x表1接觸式位移測(cè)量?jī)x技術(shù)參數(shù)比較<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>注L為實(shí)際測(cè)量范圍(單位mm)以上表1中，前兩種基于電感式傳感器的測(cè)微儀測(cè)量范圍較小、精度高，但隨著其測(cè)量范圍的增大，精度越低。第三種基于光電式傳感器的大量程測(cè)微儀，其使用條件苛刻，只能用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，且價(jià)格昂貴。同時(shí)，這些測(cè)量?jī)x本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大。鑒于此，作為光子研究領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，以光纖布拉格光柵FBG為基本傳感器的傳感技術(shù)的研究應(yīng)用近年來(lái)受到普遍關(guān)注。光纖布拉格光柵FBG是一種新型傳感元件，成本低、穩(wěn)定性好、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，且在一定的應(yīng)用范圍內(nèi)有非常良好的線性。尤其是其本身是由光纖制作而成，便于與光纖結(jié)合，使得全光化的一維光子集成成為可能。目前，光纖布拉格光柵FBG被應(yīng)用在三維測(cè)量中，其理論分辨率可達(dá)到pm量級(jí)，在實(shí)際應(yīng)用中也可以達(dá)到nm量級(jí)?；诠饫w布拉格光柵FBG的傳感器應(yīng)用在一維測(cè)量中，可以做到量程大且精度高。光纖布拉格光柵FBG如圖1所示，柵格周期一般為10、m量級(jí)，折射率調(diào)制深度一般為10—310—s，光柵波矢方向與光纖軸線方向一致。這種光纖布拉格光柵具有較窄的反射帶寬(約10—、m)和較高的反射率(約100%)，其反射帶寬和反射率可以根據(jù)需要，通過(guò)改變寫(xiě)入條件而加以靈活的調(diào)節(jié)。光纖布拉格光柵FBG的傳感原理如圖2所示，寬帶光源射入反射型FBG時(shí)，符合其中心波長(zhǎng)的光能被反射，而其他波長(zhǎng)的光能透射。光纖布拉格光柵FBG波長(zhǎng)AB取決于光柵周期A和纖芯有效折射率neff。AB=2neffA(1)應(yīng)力引起FBG中心波長(zhǎng)漂移可由下式描述A入B=2neffAA+2AneffA(2)式中AA—光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變Aneff—光纖的彈光效應(yīng)引起的有效折射率變化由式2知，當(dāng)FBG受軸向應(yīng)變時(shí)中心波長(zhǎng)將發(fā)生變化，采用相應(yīng)的解調(diào)方法即可得出應(yīng)變的大小。為了增加傳感器的敏感度，通常選用直徑為125um左右的光纖布拉格光柵FBG作為納米級(jí)傳感器，由于其非常纖細(xì)，當(dāng)受到壓應(yīng)力和非軸向力時(shí)，很容易發(fā)生彎曲變形，從FBG原理可知中心波長(zhǎng)取決于光柵周期和纖芯有效折射率，有學(xué)者做過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)測(cè)力不變時(shí)，F(xiàn)BG彎曲變形時(shí)，光柵周期和纖芯有效折射率變化比軸向變形要小的多，所以靈敏度不高，但當(dāng)FBG受到拉應(yīng)力時(shí)，中心波長(zhǎng)變化很敏感。已經(jīng)有研究人員利用光纖布拉格光柵的軸向應(yīng)變靈敏度高的特點(diǎn)制作三維觸發(fā)測(cè)頭，當(dāng)測(cè)球和被測(cè)工件之間存在軸向接觸力時(shí)，測(cè)桿以及FBG受到一定的壓縮應(yīng)變，這個(gè)應(yīng)變引起FBG的中心波長(zhǎng)變化，通過(guò)干涉解調(diào)獲得應(yīng)變量。其分辨率達(dá)到60nm，而當(dāng)受到非軸向接觸力時(shí)，分辨率甚至只能到lOum，且軸向接觸只能用于產(chǎn)生接觸信號(hào)，還不能用于測(cè)量微位移。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了避免現(xiàn)有測(cè)微傳感器的不足之處，提供一種靈敏度很高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，能實(shí)現(xiàn)在小范圍內(nèi)納米級(jí)測(cè)微精度的超精密光纖光柵位移傳感器。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下的技術(shù)方案本發(fā)明超精密光纖光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置被固定的測(cè)頭殼體，所述測(cè)頭殼體為一筒狀體，筒狀體的頂部具有中心螺孔；筒狀體的底部為敞口，在所述敞口端面上，沿徑向設(shè)置有一橫梁；在所述測(cè)頭殼體的內(nèi)部沿軸向設(shè)置一測(cè)桿，所述測(cè)桿是由相互平行的上片簧和下片簧固定在測(cè)頭殼體的內(nèi)側(cè)壁上，并保持測(cè)桿與所述測(cè)頭殼體為同軸，組成平行片簧導(dǎo)軌；在所述測(cè)桿的頂端設(shè)置壓簧，所述壓簧套裝在測(cè)力調(diào)整螺母上，所述測(cè)力調(diào)整螺母以其外螺紋與所述測(cè)頭殼體的頂部中心螺孔螺紋連接，所述測(cè)力調(diào)整螺母可以在所述中心螺孔中調(diào)整軸向位置；測(cè)桿的底端探出測(cè)頭殼體，并且在探出測(cè)頭殼體的測(cè)桿的底端固聯(lián)有硬測(cè)頭；設(shè)置一根處在測(cè)桿的中軸位置上的光纖光柵，連接有信號(hào)傳輸線的光纖光柵的頂端固定在測(cè)桿的頂端，光纖光柵的底端固聯(lián)在橫梁上；本發(fā)明超精密光纖光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于設(shè)置所述測(cè)力調(diào)整螺母為具有軸向通孔，所述信號(hào)傳輸線通過(guò)所述軸向通孔引出測(cè)頭殼體。在所述橫梁上設(shè)置有軸向位置可調(diào)的光纖張力調(diào)整螺母，所述光纖光柵的底端固聯(lián)在所述光纖張力調(diào)整螺母上。傳感器的設(shè)計(jì)行程為50um，測(cè)桿的軸向微動(dòng)的定位和導(dǎo)向是由上片簧和下片簧組成的平行片簧導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)的。使用這種平行片簧導(dǎo)軌，在微動(dòng)范圍內(nèi)不存在滑動(dòng)、滾動(dòng)等形式導(dǎo)軌的動(dòng)、靜摩擦力之差，可以達(dá)到很高的位移分辨率、定位精度以及精度穩(wěn)定性。在行程范圍內(nèi)，測(cè)頭的軸向位移的變化會(huì)引起測(cè)桿內(nèi)光纖光柵所受拉力的變化，光纖輸出信號(hào)經(jīng)解調(diào)后可獲得光纖應(yīng)變的大小，從而可以反映測(cè)頭位置的變化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明利用光纖布拉格光柵作為位移傳感器的應(yīng)變?cè)?，并且利用的是光纖光柵的拉伸應(yīng)變，因此靈敏度較高，結(jié)構(gòu)也并不復(fù)雜。2、本發(fā)明中傳感器測(cè)桿由平行片簧導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)磨損、無(wú)間隙，因此可以達(dá)到很高的分辨率和位移精度，本發(fā)明分辨率可達(dá)2nm，量程可達(dá)50um。圖1為光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)原理。圖2為光纖布拉格光柵傳感原理。圖3a為本發(fā)明傳感器外形示意圖；圖3b為本發(fā)明傳感器中上片簧和下片簧結(jié)構(gòu)示意圖；圖3c為本發(fā)明傳感器測(cè)量原理示意圖。圖4為本發(fā)明傳感器剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖中標(biāo)號(hào)1傳感器裝夾、2測(cè)頭殼體、3上片簧、4下片簧、5測(cè)力調(diào)整螺母、6壓簧、7光纖頂部固定端、8光纖光柵、9測(cè)桿、10光纖底部固定端、11止轉(zhuǎn)楔塊、12橫梁、13光纖張力調(diào)整螺母、14測(cè)頭聯(lián)接件、15硬測(cè)頭、16信號(hào)傳輸線。具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖3a、圖3b、圖3c和圖4，本實(shí)施例中設(shè)置由傳感器裝夾1進(jìn)行固定的測(cè)頭殼體2，測(cè)頭殼體2為一筒狀體，筒狀體的頂部具有中心螺孔；筒狀體的底部為敞口，在敞口端面上，沿徑向設(shè)置有一橫梁12;在測(cè)頭殼體2的內(nèi)部沿軸向設(shè)置一測(cè)桿9，測(cè)桿9是由相互平行的上片簧3和下片簧4固定在測(cè)頭殼體2的內(nèi)側(cè)壁上，并保持測(cè)桿9與測(cè)頭殼體2為同軸，組成平行片簧導(dǎo)軌；在測(cè)桿9的頂端設(shè)置有壓簧6，壓簧6套裝在測(cè)力調(diào)整螺母5上，測(cè)力調(diào)整螺母5以其外螺紋與測(cè)頭殼體2的頂部中心螺孔螺紋連接，測(cè)力調(diào)整螺母5可以在中心螺孔中調(diào)整軸向位置；測(cè)桿9的底端探出測(cè)頭殼體2，并且在探出測(cè)頭殼體2的測(cè)桿的底端固聯(lián)有硬測(cè)頭15;設(shè)置一根處在測(cè)桿9的中軸位置上的光纖光柵8，連接有信號(hào)傳輸線16的光纖光柵8是以光纖頂部固定端7固定在測(cè)桿9的頂端，光纖光柵8的底端固聯(lián)在橫梁12上；設(shè)置測(cè)力調(diào)整螺母5為具有軸向通孔，信號(hào)傳輸線16通過(guò)軸向通孔引出測(cè)頭殼體2;在橫梁12上設(shè)置有軸向位置可調(diào)的光纖張力調(diào)整螺母13，光纖光柵8的底端固聯(lián)在光纖張力調(diào)整螺母13上。具體實(shí)施中，為了使光纖光柵位移傳感器實(shí)現(xiàn)其對(duì)微位移精密的測(cè)量，需要在裝配傳感器整機(jī)時(shí)按以下步驟來(lái)進(jìn)行步驟1、調(diào)整測(cè)頭軸向測(cè)力的大小如圖4所示，首先按圖示結(jié)構(gòu)裝配好整機(jī)，將套裝有測(cè)桿9的上片簧3和下片簧4分別通過(guò)鏍釘鎖緊在測(cè)頭殼體2的不同軸向位置上；然后將壓簧6通過(guò)測(cè)力調(diào)整螺母5裝配在測(cè)桿9的頂端，通過(guò)上下調(diào)整測(cè)力調(diào)整螺母5來(lái)調(diào)整測(cè)桿9的測(cè)力大小到符合測(cè)量要求，調(diào)整時(shí)借助測(cè)力計(jì)等工具。步驟2、調(diào)整光纖光柵8的張力卸下測(cè)頭聯(lián)接件14，從測(cè)桿的底部調(diào)整光纖張力調(diào)整螺母13，以此微調(diào)光柵底部固定端10的軸向位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵8的張力的調(diào)整。在光柵底部固定端10的一旁，設(shè)置有止轉(zhuǎn)楔塊ll，用于防止在調(diào)整張力調(diào)整螺母時(shí)光纖底部固定端10旋轉(zhuǎn)，以此避免由于旋轉(zhuǎn)對(duì)光纖光柵8造成影響。通過(guò)觀察信號(hào)傳輸線16的輸出信號(hào)，直至光纖光柵的中心波長(zhǎng)在解調(diào)器量程范圍內(nèi)后，鎖定光纖張力調(diào)整螺母13，完成調(diào)整光纖光柵的測(cè)量范圍的工作。步驟3、安裝測(cè)頭在以上兩個(gè)步驟完成后，鎖定各調(diào)整件的位置，并將裝有硬測(cè)頭15的測(cè)頭連接件14安裝在測(cè)桿9的底端下面。如圖3c所示，傳感器可以感受測(cè)頭軸向的位移變化。當(dāng)傳感器測(cè)頭與被測(cè)物體接觸，產(chǎn)生沿測(cè)桿軸向的微動(dòng)時(shí)，測(cè)頭的位移轉(zhuǎn)化為光纖光柵的拉伸，使FBG光纖產(chǎn)生彈性形變，根據(jù)式(2)，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，將輸出的信號(hào)經(jīng)解調(diào)后轉(zhuǎn)換為隨測(cè)頭位移而線性變化的電壓。由于光纖光柵對(duì)拉伸較為敏感，所以整個(gè)傳感器分辨率很高，精度也很高。權(quán)利要求超精密光纖光柵位移傳感器，其特征是設(shè)置被固定的測(cè)頭殼體(2)，所述測(cè)頭殼體(2)為一筒狀體，筒狀體的頂部具有中心螺孔；筒狀體的底部為敞口，在所述敞口端面上，沿徑向設(shè)置有一橫梁(12)；在所述測(cè)頭殼體(2)的內(nèi)部沿軸向設(shè)置一測(cè)桿(9)，所述測(cè)桿(9)是由相互平行的上片簧(3)和下片簧(4)固定在測(cè)頭殼體(2)的內(nèi)側(cè)壁上，并保持測(cè)桿(9)與所述測(cè)頭殼體(2)為同軸，組成平行片簧導(dǎo)軌；在所述測(cè)桿(9)的頂端設(shè)置壓簧(6)，所述壓簧(6)套裝在測(cè)力調(diào)整螺母(5)上，所述測(cè)力調(diào)整螺母(5)以其外螺紋與所述測(cè)頭殼體(2)的頂部中心螺孔螺紋連接，所述測(cè)力調(diào)整螺母(5)可以在所述中心螺孔中調(diào)整軸向位置；測(cè)桿(9)的底端探出測(cè)頭殼體(2)，并且在探出測(cè)頭殼體(2)的測(cè)桿的底端固聯(lián)有硬測(cè)頭(15)；設(shè)置一根處在測(cè)桿(9)的中軸位置上的光纖光柵(8)，連接有信號(hào)傳輸線(16)的光纖光柵(8)的頂端固定在測(cè)桿(9)的頂端，光纖光柵(8)的底端固聯(lián)在橫梁(12)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密光纖光柵位移傳感器，其特征是設(shè)置所述測(cè)力調(diào)整螺母(5)為具有軸向通孔，所述信號(hào)傳輸線(16)通過(guò)所述軸向通孔引出測(cè)頭殼體(2)。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的超精密光纖光柵位移傳感器，其特征是在所述橫梁(12)上設(shè)置有軸向位置可調(diào)的光纖張力調(diào)整螺母(13)，所述光纖光柵(8)的底端固聯(lián)在所述光纖張力調(diào)整螺母(13)上。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種超精密光纖光柵位移傳感器，其特征是設(shè)置被固定的測(cè)頭殼體，測(cè)頭殼體為一筒狀體，筒狀體的底部為敞口，在敞口端面上，沿徑向設(shè)置有一橫梁；測(cè)桿是由相互平行的上片簧和下片簧固定在測(cè)頭殼體的內(nèi)側(cè)壁上，并保持測(cè)桿與測(cè)頭殼體為同軸，組成平行片簧導(dǎo)軌；在測(cè)桿的頂端設(shè)置壓簧；測(cè)桿的底端探出測(cè)頭殼體，并且在探出測(cè)頭殼體的測(cè)桿的底端固聯(lián)有硬測(cè)頭。本發(fā)明靈敏度很高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，能實(shí)現(xiàn)在小范圍內(nèi)納米級(jí)測(cè)微精度。文檔編號(hào)G01B11/02GK101788268SQ20101012752公開(kāi)日2010年7月28日申請(qǐng)日期2010年3月17日優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日發(fā)明者尚平,王晨晨,費(fèi)業(yè)泰申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)