本發(fā)明涉及的是一種光纖聲光扭轉與位移傳感器，尤其涉及一種基于在少?；蛘叨嗄９饫w上架設聲光調制器的扭轉與位移傳感器。

背景技術：

隨著大型基礎建設(例如橋梁，水電站，公路與鐵路等)，智能建筑，機械器件與高危環(huán)境建筑(例如化學藥品倉庫，儲油庫與核電站等)的不斷發(fā)展，對于建筑結構安全與內部傷害探測的需求急劇增長。其中軸線角度扭轉與空間三維上微位移是檢測建筑結構損傷與內部安全的重要指標。由于受到空間尺度狹小的限制，傳統(tǒng)的采用大面積接觸傳感器無法將傳感頭放入建筑體內部，導致無法直接檢測建筑內部的損傷與安全情況。

傳統(tǒng)的小型光纖傳感器可以放入建筑內部縫隙中解決空間尺度狹小限制的問題。但是在高危環(huán)境建筑(例如火電廠內部)不能將傳感信息通過有線連接傳輸出來，所以存在傳統(tǒng)使用電纜或者光纖的有線傳輸傳感系統(tǒng)與無法經受苛刻環(huán)境(例如高溫與腐蝕環(huán)境)的無線電傳輸方式都難以解決信號傳輸問題。

傳統(tǒng)的光纖傳感器的傳輸頭一般只能傳輸單個參量，如果要實現(xiàn)同時傳輸扭轉與微位移需要更換傳輸頭甚至傳輸系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的光纖傳感器一般使用光譜測量法即測量輸出光的光譜的波長與幅度的變化，而光譜測量接收器價格較高，所以不適合降低整個傳感器的成本。

傳統(tǒng)的角度扭轉與傳統(tǒng)的不僅對扭轉與位移敏感而且對環(huán)境的溫度與光纖軸向的應力也很敏感，這種交叉敏感性導致輸出端對扭轉與位移的傳感不精確。

傳統(tǒng)的光纖傳感器一般使用光譜測量法即測量輸出光的光譜的波長與幅度的變化，而光譜測量接收器處理方法復雜速度慢且價格較高，所以難以達到高速動態(tài)監(jiān)控并且不適合降低整個傳感器的成本。

因此對于理想的建筑結構安全與內部傷害探測中的軸線角度扭轉與微位移傳感器應該達到：1.小型的傳感部位；2.傳感器的數(shù)據傳輸系統(tǒng)能在苛刻環(huán)境將數(shù)據傳輸?shù)奖O(jiān)控端；3.同一個傳感器能同時測量扭轉與微位移；4.傳感信號處理部分能被輕易廉價地實現(xiàn)；5.傳感器不應該對外界環(huán)境有交叉敏感性；6.微位移傳感器能進行三維空間位移傳感。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服建筑結構安全與內部傷害探測中的軸線角度扭轉與微位移傳感器現(xiàn)有技術中存在的不足之處，提供一種適用于微空間危環(huán)境的光纖聲光扭轉與位移傳感器。通過光纖聲光調制器在同一根少模光纖中傳輸具有不同模式的探測光，探測光根據被測物不同的角度扭轉與微位移位移量轉變?yōu)閏cd圖像捕捉系統(tǒng)的旋轉量與位移量，由圖像識別算法實現(xiàn)對被測物的軸向扭轉角度與三維微位移的測量與動態(tài)監(jiān)控。

本發(fā)明的技術方案是：一種基于本發(fā)明的技術方案是：一種光纖聲光扭轉與位移傳感器,包括激光器，聲光調制器(如聲光調制晶體或壓電陶瓷聲光調制器)，信號發(fā)生器，電線，數(shù)據傳輸線，光纖，少摸光纖(二模式光纖或少模式光纖或多摸式光纖)，變焦準直裝置(變焦準直透鏡或者變焦顯微物鏡)，圖像檢測器(ccd或cmos)，數(shù)據處理器(電腦或者dsp處理器)和被測物體；將激光器的激光輸入進光纖，光纖直接與少摸光纖連接，將少模光纖放置在聲光調制器上，將信號發(fā)生器的信號通過電線傳輸給聲光調制器，然后將少模光纖的末尾與準直裝置連接，其中少模光纖的末尾與準直裝置組成傳感頭，并將傳感頭放置于被測物中，然后少模光纖中的光通過變焦準直裝置被發(fā)射到圖像檢測器中，圖像檢測器通過數(shù)據傳輸線將圖像信息傳輸給數(shù)據處理器，數(shù)據處理器通過判斷圖像檢測器中圖像的變化來檢測被測物的角度扭轉與微位移。

以上方案中，信號發(fā)生器將不同頻率信號發(fā)送給聲光調制器使得聲光調制器將光纖中的模式轉變成不同形狀的模式；當信號發(fā)生器將合適頻率合適強度的信號發(fā)送給聲光調制器使得聲光調制器將光纖中的模式轉變成非圓對稱模式時，被測物體的扭轉會使得二階非圓對稱模式跟著扭轉，數(shù)據處理器只要計算圖像檢測器中非圓對稱模式光斑的扭轉角就能求出被測物體的扭轉角；當被測物體進行垂直于光傳輸方向的xy平面移動時，圖像檢測器中的光斑也會在xy平面移動，數(shù)據處理器只要計算圖像檢測器中光斑的xy平面移動就能求出被測物體平面微位移；當被測物體進行平行與光傳輸方向的z向移動時，圖像檢測器中的光斑會隨著z向移動而變大或變小，數(shù)據處理器只要計算圖像檢測器中光斑的大小就能求出被測物體z向微位移；當光纖中傳輸?shù)氖菆A對稱模式(光纖的基模或者高階圓對稱模式)時，數(shù)據處理器對于圖像檢測器中光斑xy平面移動與光斑大小的判段很容易并且對扭轉不敏感。

本發(fā)明的主要技術原理是：1.激光器發(fā)出的激光能被相對應波段的圖像檢測器接收到，比如：650nm-690nm的激光器發(fā)出的激光能被可見光cmos接收到，c波段的通信激光器發(fā)出的激光能被c波段ccd接收到；2.聲光調制器通過加載不同頻率的信號能將光纖中輸入的模式轉變?yōu)椴煌螤畹哪Ｊ?，比如：可以使光纖中輸入的lp01圓形基模轉變?yōu)閘p11雙瓣二階模，也可以使光纖中輸入的lp01圓形基模不變；3.少模光纖支持多個模式的傳輸；4.由少模光纖末尾與準直裝置組成傳感頭可以使加載著傳感信息的傳感光以空間無線的方式傳輸?shù)綀D像檢測器；5.變焦裝置可以使得光的焦距可調節(jié)即令圖像檢測器接收到的光斑可調，將圖像檢測器接收到的光斑調大可以提高傳感器的精度，將圖像檢測器接收到的光斑調小可以增加傳感器在xy方向上的傳感范圍；6.光在自由空間傳輸會放大光斑，即會將建筑的微位移放大，增加了傳感器的靈敏度。

與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的優(yōu)點在于：1.由光纖和聚焦透鏡組成的傳感頭體積和面積小，容易鑲嵌與被測物中；2.傳感頭將加載著傳感信號的光空間無線傳輸給后端的圖像檢測器，傳輸過程中中無需線路且抗高溫抗腐蝕；3.同一個傳感器能同時測量扭轉與微位移；4.當信號發(fā)生器將合適頻率信號發(fā)送給聲光調制器使得聲光調制器將光纖中的模式轉變成非圓對稱模式時，因為非圓對稱形狀對軸向旋轉更敏感，所以數(shù)據處理器可以提高扭轉傳感的靈敏度；5.當信號發(fā)生器將合適頻率信號發(fā)送給聲光調制器使得聲光調制器將光纖中的模式轉變成圓對稱模式時，因為圓對稱形狀更容易被數(shù)據處理器處理，所以數(shù)據處理器可以提高對微位移傳感的運算速度；6.調節(jié)變焦直裝置可以改變傳感精度與范圍；7.利用圖像檢測器監(jiān)測光斑傳感的方式比光譜監(jiān)測方式的速度更快，系統(tǒng)更廉價更容易被搭建，可以對被測物進行動態(tài)監(jiān)控；8.光纖光斑對溫度和軸線應力不敏感，抗交叉敏感性強；9.傳感器中扭轉與三個維度的位移傳感沒有交叉敏感性，因為這四個變量的傳感原理不一樣，數(shù)據處理器對它們進行獨立四種計算；10.微位移傳感器能進行三維空間位移傳感。

附圖說明

圖1是光纖聲光扭轉與位移傳感器的結構示意圖。

圖2是光纖模式光斑分布示意圖。

在上述的附圖中，1表示激光器，2單模光纖，3二模光纖，4表示壓電陶瓷聲光調制器，5和13表示電線，6表示微波信號發(fā)生器，7表示被測物體，8表示二模光纖末端，9表示變焦準直透鏡，10表示傳輸光束，11表示ccd相機，12表示數(shù)據處理器，14表示旋轉0度的lp11模式，15表示旋轉30度的lp11模式，16表示x軸偏移0微米的lp01模式，17表示x軸偏移20微米的lp01模式，18表示z軸偏移0微米的lp01模式，19表示z軸偏移10微米的lp01模式。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進一步詳細的描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種基于光纖聲光調制的測量扭轉與位移的傳感器(參見圖1)包括激光器1、單模光纖2、二模光纖3、壓電陶瓷聲光調制器4、電線5和13、微波信號發(fā)生器6、被測物體7、二模光纖末端8、變焦準直透鏡9、傳輸光束10、ccd相機11和數(shù)據處理器12；其中激光器1直接與單模光纖2相連，單模光纖2直接與二模光纖3相連，二模光纖3緊緊貼在壓電陶瓷聲光調制器4上，壓電陶瓷聲光調制器4通過電線5與微波信號發(fā)生器6相連，二模光纖末端8與變焦準直透鏡9相連形成傳感頭附著在被測物體7上，變焦準直透鏡9發(fā)出傳輸光束10，傳輸光束10被ccd相機11直接接收，ccd相機11的數(shù)據通過電線13傳輸?shù)綌?shù)據處理器12。

本發(fā)明的工作實例過程如下(參見圖1、圖2):

將由二模光纖末端8和變焦準直透鏡9組成傳感頭放入并緊緊貼在被測物體7中，調整變焦準直透鏡9和ccd相機11使得傳輸光束13在ccd相機11中光斑處于合適大小合適位置；打開激光器1，使得單模光纖2中激發(fā)出lp01基模并傳輸進二模光纖3；打開并調節(jié)微波信號發(fā)生器6使其發(fā)出微波信號使得壓電陶瓷聲光調制器4將聲波信號加載到二模光纖3上使得二模光纖3將lp01基模16轉變成lp11二階模14；lp11二階模傳輸?shù)蕉９饫w末端8并經過變焦準直透鏡9轉變成平行傳輸光束10；當被測物體7進行軸向扭轉時二模光纖末端8也同時進行相同的軸向扭轉30度時，lp11二階模14也進行扭轉至lp11二階模15；傳輸光束10攜帶光斑分布信息傳輸至ccd相機11，ccd相機11將數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據處理器12，數(shù)據處理器12利用圖像識別算法計算出lp11旋轉30度二階模15與未旋轉lp11二階模14之間的度數(shù)差值；將微波信號發(fā)生器6關閉，使得二模光纖3上的光纖模式重新變回lp01基模16；當被測物體7進行x軸向位移20微米時二模光纖末端8也同時進行相同的x軸向位移，lp01基模16也進行位移至lp01基模17；傳輸光束10攜帶光斑分布信息傳輸至ccd相機11，ccd相機11將數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據處理器12，數(shù)據處理器12利用圖像識別算法計算出x軸20微米位移的lp01基模17與未位移的lp01基模16之間的移動間距；y軸位移測量的方法同上；使用lp01基模18傳輸至二模光纖末端8；當被測物體7進行z軸向位移10微米時二模光纖末端8也同時進行相同的z軸向位移，使得ccd相機11上的lp01基模18光斑變大成lp01基模19；數(shù)據處理器12利用圖像識別算法計算出z軸10微米位移的lp01基模19與未位移的lp01基模18之間面積之差而求出z軸位移。

優(yōu)先選擇lp11二階模14作為扭轉的傳輸光，因為lp11二階模14具有非圓對稱性對扭轉敏感，數(shù)據處理器12只需要每次計算lp11二階模14之間的雙瓣差值就能求出扭轉角度。

優(yōu)先選擇lp01基模16作為x軸y軸位移的傳輸光，因為lp01基模16具有圓對稱性對扭轉不敏感并且易于計算，數(shù)據處理器12只需要每次計算lp01基模16的位移差值就能求出x軸y軸位移距離。

優(yōu)先選擇lp01基模18作為位移的傳輸光，因為lp01基模18具有圓對稱性對扭轉不敏感并且易于計算，數(shù)據處理器12只需要每次計算lp01基模18的面積差值就能求出z軸位移距離。

二模光纖末端8和變焦準直透鏡9組成的傳感頭需要與被測物體保持相對固定，以保證系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。

本實例中激光器1可以選擇320nm－690nm可見光激光器、690nm-1310nm紅外激光器或1529nm-1609nm通信激光器；ccd相機11可以選用相對應波段的ccd感應設備，也可以被替換為相對應波段的cmos感應設備。

本實例中壓電陶瓷聲光調制器4可以被其他聲光調制設備如聲光調制晶體代替，聲光調制設備的調制電路微波信號發(fā)生器6可以被其他電路調制設備替換如交流信號發(fā)生器或交流信號放大器。

本實例中二模光纖3可以被其他支持非對稱傳輸模式的光纖代替如多模式光纖或橢圓光纖。

本實例中數(shù)據處理器12可以被其他圖像處理設備代替如電腦。

以上僅為本發(fā)明實施例中一個較佳的實施方案。本發(fā)明的上述實施例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例,而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說,在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。但是,本發(fā)明并不限于上述實施方案,凡按本發(fā)明方案所做的任何均等變化和修飾,所產生的功能作用未超出本方案的范圍時,均屬于本發(fā)明的保護范圍。