全光纖時分復用型轉鏡轉速傳感器的製作方法

2023-10-04 21:52:49 2

專利名稱：全光纖時分復用型轉鏡轉速傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感器技術領域,它特別涉及全光纖時分復用型轉鏡轉速傳感器。
技術背景轉鏡式高速攝影機有納秒級的時間分辨本領，良好的空間解析度，還有與被攝目標可以準 確同步、使用可靠、操作簡單等其他優點。因此它在高速攝影儀器中佔據重要的地位，被廣泛 應用於爆炸力學、高壓物理、實驗室等離子體、火花放電、新型雷射光源和雷射光譜學等領域的研究(見譚顯樣，光學高速攝影側試技術，第一版，科學出版社，1 9卯年)。實驗測試工作中， 轉鏡相機主要用於測量被攝事件各部分間的微小時間差異或幾個獨立事件之間的時間間隔。 相機像面上的掃描速度是時間測量的基準。轉鏡式高速相機同歩與速度傳感器組件是轉鏡式 高速相機的關鍵部件，其任務是完成轉鏡旋轉速度和所處位置的信號傳感，使轉鏡式高速相機 的控制系統能在此基礎上發出控制指令，使轉鏡式高速相機完成拍攝任務(滿光明,葉玉堂等. 髙速轉鏡相機轉速測量的同步傳感系統.強雷射與粒子束，2006， Vol.!8，No. 1:11-14)。相機基本結構如圖l所示。被攝目標經透鏡組、夾縫和轉鏡後成像在膠片面上。轉鏡轉 動過程中,被攝目標隨時間的變化現象以二維圖像的形式在膠片上表現出來。由於轉鏡式高速 攝影機中採用的反射鏡都有一定的厚度，隨著轉鏡的旋轉,反射後的像在膠片面上表現為非勻速運動，像的軌跡是一條Pascal解線,掃描速度方程為v - 2io(1 + fl"cos(0))(1)其中L為相機的結構常量,a為轉鏡厚度的1/2, S為入射主光軸與鏡面法線之間的夾角。v為 轉鏡的角速度。現代科學實驗對時間信息的測量提出了極為嚴格的要求，對於高速轉鏡相機而言，其像面 上的掃描速度是時間測量的基準,為準確地分析相關物理現象，不僅需要精確地測量轉鏡的轉 速,還要準確地測定轉鏡旋轉一周內的掃描速度。目前常常通過測量相機轉鏡角速度"的方法， 再由公式(1〉間接得到像面上的掃描線速度v。此外,相機還需要一個精確的同歩信號，以提 高相機控制系統的精確度。同步信號可以採用速度傳感中的一路信號，容易實現。採用傳統的相機傳感器,如轉鏡角速度光電傳感器、轉鏡角速度磁場傳感器，在測量精度 及機械穩定性上都不理想。轉軸角速度光電傳感器如圖2所示。該光電傳感器實現方法是在 轉鏡轉軸上打孔，轉軸一端固定雷射器,另一端固定光探測器。轉鏡每轉動半周,孔的軸心方向 和雷射束方向平行，探測器便會輸出一個脈衝信號,該脈衝經過放大、整形後，求出相鄰兩脈衝 的時間間隔A7\從而轉鏡角速度fl)-豕/厶r 。這種方法在實際應用中，如果孔太小，則轉鏡的 抖動會造成探測器接收不到光脈衝;如擴大孔徑,脈衝上升沿的漂移就會變得嚴重。同時如果 該方法所使用的探測器光敏面較小，轉鏡的抖動可能會造成探測器接收不到光信號，所以要採 用光敏面較大的探測器，這又會降低探測器的光響應速率，因而傳感精度較低。此外,雷射器和 探測器都需要安裝在靠近轉軸的地方，轉鏡需要潤滑油，高速轉動過程中，光路很容易受到汙 染,造成系統工作不穩定。轉鏡磁場傳感器的實現方法是在轉鏡轉軸上打孔,孔內固定一個良磁體，在轉軸附近安裝 有感應線圈。轉鏡在轉動過程中，磁體跟隨轉軸旋轉,轉鏡每轉過一周，感應線圈內便會產^^ 個交變電流信號。同樣,轉鏡角速度通過必-2;r/Ar求得。這種方法有很多弊端，因為轉鏡需 要通過特種高速電機來驅動，因而在應用中該傳感系統會給電機磁場帶來幹擾，同時傳感器本 身會受到外界的電磁幹擾，導致測試結果誤差較大;另外，通過磁場感應所獲得的信號,其上升 沿變化緩慢，"信號已到"的判別,誤差就會較大;再者,轉鏡轉軸本身直扭比較小，安裝該傳感 系統後將會降低轉鏡的機械穩定度。該系統難以滿足現代科技對目標瞬變現象時間精度的嚴格要求。由於種種原因，高速旋轉狀態下的轉鏡，其速度不可避免地產生一定的波動,採用上述 兩種方法,至少也是在轉鏡旋轉半周后傳感器才會獲得一個信號,即只能得轉鏡的轉速,而不 能測量轉鏡旋轉一周內的掃描速度,且轉速測量的不確定度只有千分之三，得到的測量結果不 能滿足現代科學分析對時間精度的需求。此外,在轉鏡相機中，為了機械加工的方便，膠片面採 用與蝸線密合的圓周線代替蝸線，這意味著式(1)中的v僅是膠片面上掃描線速度的一個近似值,所以測量結果存較大的偏差。為了克服傳統的相機傳感器測量結果精度低等缺陷，中國發明專利(02133995. 3, —種測量掃描式轉鏡高速攝影機瞬時掃描速度的方法)將雷射成像 在膠片邊緣,然後手工測量像點之間距離，費時費工,精度有一定程度的提高。文獻(滿光明， 葉玉堂等.高速轉鏡相機轉速測量的同步傳感系統.強雷射與粒子束，2006， Vol. 18， No. 1: 11-14)將接收光纖固定在膠片邊框上,空間光路較遠且發射雷射功率大,採用陣列探測法,精 度進一步提高。發明內容本發明採用全光纖時分復用型單探測結構，其目的是提供一種靈敏度較高,發射雷射功率 不大，操作方便,可實時工作的方式以方便地測量膠片面上成像點對應時刻的即時線轉速，滿 足瞬變的轉鏡轉速傳感器要求。本發明的技術方案是用如下方法實現的包括計算機l，光源 驅動器2,光源3，探測器4，電處理模塊5，較長的帶準直器光纖跳線6,1XN光纖耦合器8，帶 準直器的N條光纖跳線9，排架10和耦合器與探測器之間的連接光纖7 (如圖2所示)。在髙 速轉鏡攝影機第二物鏡12附近以一定的角度放置光纖跳線6，當轉鏡轉動時通過光纖跳線6 中的光經轉鏡13反射到在以一定的間隔固定在離轉鏡不遠處排架10上N條光纖跳線9之一 的準直器中，即光纖跳線6和光纖跳線9之間構成空間光路，返回到耦合器8中繼續傳播到連 接光纖7,入射到探測器4形成全光纖分時復用型單探測結構。本發明的工作原理如圖2所示，計算機1控制光源驅動器2使光源3發射穩定的連續激 光。雷射通過光纖跳線6,經轉鏡13反射；當轉鏡轉動時某時刻總有一束反射光入射到光纖跳 線9之一的準直器中，返回到耦合器8中繼續傳播到連接光纖7,入射到探測器4被它轉換為 電信號，由電處理模塊5轉換為數位訊號供計算機1分析處理。光纖跳線9的第一跳線和光纖 跳線6之間構成空間光路的信號作為傳感器的同歩信號，相鄰信號之間的時間差作為計算轉 鏡轉動的時間依據。由於在放置光跳線9後將轉鏡勻速轉動獲得相鄰信號之間的時間差計算 出相鄰跳線之間的間隔距離作為標準，以後的測量依此為依據就能計算一周內的動態掃描速 度。 '雷射通過空間光路會損耗能量,空間光路越長,插耗呈幾何數量增加，所以減少空間光路 長度是提高傳感器性價比的關鍵。當把入射光和接收光裝置均放置在轉鏡附近時空間光路最 短,這樣可以減低入射雷射功率且探測器反而接收到較強的光信號，選用白光光源也能滿足測 量要求。設轉鏡掃描速度v，光纖跳線9的準直器處的線速度為>4v, A為準直器所處的半徑與 轉鏡所處的同心半徑之比，探測器帶寬厶，A/D採樣頻率A/附，由信號處理知識得w大於等於 2,準直器有效直徑rf，這樣轉鏡掃描準直器時A/D採集的數據個數w為w二必/(/ l4v) (2) 一般取"至少三個數據為依據設計傳感器參數。式(2)說明在準直器有效直徑和轉鏡掃描速度一定的情況下,縮短空間通道可以獲得多 的信號數據個數,反之在需要信號個數一定的情況下，縮短空間通道也可以降低A/D採樣頻率 和探測器帶寬。進一歩縮短光纖跳線9的準直器與轉鏡之間的光程,在保證轉鏡掃描準直器時 A/D採集的數據個數不變的情況下,其傳感器的靈敏度便沒有降低,只不過轉鏡掃描準直器時 A/D採集的前段和後段數據的噪聲比較大，由於計算以中段數據為依據，所以不影響傳感器的 精度和靈敏度，而且A/D採樣頻率和探測器帶寬相應降低，選用白光光源，其性價比更高。上述的光源3優選全固態光源上述的1XN光纖耦合器8優選功分比均分； 上述的探測器4及電處理模塊5優選光通信的收模塊本發明的優點① 、傳感器空間光路極短，選用白光光源,較低A/D採樣頻率，自動在線測量轉鏡高速攝 像機即時線速度。② 、幾個支路採用時分復用方式由一個探測器探測，提高了計算時間間隔的精度。③ 、傳感器的有源器件遠離高速攝影機，提高了抗幹擾的能力。附圖及


圖1是商速轉鏡相機基本結構示意圖；圖2是本發明傳感器結構示意圖；圖3是本發明傳感器轉鏡一轉測試的t-V關係圖。圖中標號說明如下I- 計算機 2-光源驅動器 3-光源4-探測器 5-電處理模塊 8-lXN光纖耦合器 9-帶準直器的N條光纖跳線6-較長的帶準直器光纖跳線 12-連接光纖II- 高速轉鏡攝影機的第一物鏡12-第二物鏡 13-轉鏡14-底片邊框 15-夾縫 7-耦合器8與探測器4之間的連接光纖 10-排架具體實施方式
參考圖2，本發明的轉鏡傳感器為實驗樣機，採用GSJ型髙速相機，工作在a-30萬轉/分， 每轉200//s，轉鏡掃描速度v = 600//w//zs ;採用200W國家標準A光源，探測器帶寬lOOMHz，A/D採樣頻率必-20\0^101^時間間隔50ns，光纖準直器有效直徑rf-1.8mm，準直器所處的半 徑與轉鏡所處的同心半徑之比A=5。轉鏡轉動掃描光纖準直器時A/D獲得的數據個數為A0/(^O-12，光纖跳線9相鄰光信號幅度由第5， 6， 7， 8數據平均值確定，時間間隔均由數據個數乘A/D採樣時間確定，時間間隔誤差小於50ns，每個位置上的平均速度的測量精度達50ns/200/ff =0.025%。如圖3為測試所獲得的6個位置的t-V關係圖，A/D採集轉鏡每轉數據個數為必/"-4000,圖3中壓縮了無意義的數據顯示。
權利要求
1、一種全光纖時分復用型轉鏡轉速傳感器，包括計算機(1)，光源驅動器(2)，光源(3)，探測器(4)，電處理模塊(5)，1×N光纖耦合器(8)，帶準直器的N條光纖跳線(9)，較長的帶準直器光纖跳線(6)和耦合器(8)與探測器(4)之間的連接光纖(7)。在高速轉鏡攝影機轉鏡附近以一定的角度放置光纖跳線(6)，當轉鏡轉動時通過光纖跳線(6)中的光經過轉鏡(13)反射到在以一定的間隔固定在離轉鏡不遠處的排架(10)上N條光纖跳線(9)之一的準直器中，返回到耦合器(8)中繼續傳播到連接光纖(7)，入射到探測器(4)形成全光纖分時復用型單探測結構。
2、 按權利要求1所述傳感器，其特徵在於:光源(3)優選全固態光源。
3、 按權利要求1所述傳感器，其特徵在於傳感器中使用的耦合器是熔錐型光纖耦合器,或者 波導型耦合器，功分比優選均分。
4、 按權利要求l、 6所述的傳感器,其特徵在於傳感器中使用的光纖是多模光纖,或者是單 模光纖,或者是塑料光纖。
5、 按權利要求1所述傳感器,其特徵在於:探測器(4)及電處理模塊(5)優選光通信的收模塊。
6、 按權利要求l所述傳感器,其特徵在於傳感器中使用的準直器優選光纖準直器。
全文摘要
本發明公開一種全光纖時分復用型轉鏡轉速傳感器，包括計算機1，光源驅動器2，光源3，探測器4，電處理模塊5，較長的帶準直器光纖跳線6，1×N光纖耦合器8，帶準直器的N條光纖跳線9，排架10和耦合器與探測器之間的連接光纖7。在高速轉鏡攝影機第二物鏡12附近以一定的角度放置光纖跳線6，當轉鏡轉動時通過光纖跳線6中的光經轉鏡13反射到在以一定的間隔固定在離轉鏡不遠處排架10上N條光纖跳線9之一的準直器中，返回到耦合器8中繼續傳播到連接光纖7，入射到探測器4形成全光纖分時復用型單探測結構。其目的是提供一種靈敏度較高，發射雷射功率發射不大，操作方便，可實時工作的方式測量膠片面上成像點對應時刻的即時線轉速。
文檔編號G03B39/00GK101261435SQ20081004458
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月11日 優先權日2008年4月11日
發明者代志勇, 劉永智, 張利勳, 彭增壽, 歐中華 申請人:電子科技大學