一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统

1.本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统。


背景技术：

2.近年来，人们对工程监测、检测技术的要求越来越高；转角测量作为工程监测、检测技术中的重要测量内容之一，其测量的精确度、准确性直接影响到设备的传动效率、加工的精密性、装置的疲劳性能等。
3.目前，传动的转角测量主要包括接触式测量与非接触式测量两种。其中，较为常见的接触式测量方法为机械测量和电磁测量；机械测量的方式较多，但测量速度慢、精度低，且自动化程度低；电磁测量基于电磁感应原理，其测量过程中易收到外界电磁场的影响，导致测量误差大、甚至测量失效，无法应用于强电环境。非接触式测量以光学测量为主，目前的光学测量结构复杂、且成本高，同时无法实现远程测量，无法应用于油、气等易燃易爆场合(即应用易燃易爆场合下的测量、安全系数低)。综上所述，目前对于转角的测量装置存在局限性大，测量精度低、环境适应能力低、抗干扰能力差、使用成本高等缺陷。


技术实现要素：

4.针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，该系统测量转角成本低、精度高、测量性能稳定，且结构安全、稳定性高，能够实现转角的自动化测量。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，其特征在于：包括光路解调模块与传感器模块；光路解调模块与传感器模块相连，传感器模块包括至少一组转角传感器，转角传感器包括第一光纤环形器、第一分光镜、第一光纤准直器、旋转盘、第二光纤环形器、第二分光镜、第二光纤准直器与pd探测器；第一光纤环形器的一号端口与光路解调模块出射口连接、二号端口与第一分光镜的输入端连接、三号端口通过光纤与第二光纤环形器的一号端口连接，第一分光镜输出端与第一光纤准直器连接；第二光纤环形器二号端口与第二分光镜的输入端连接、三号端口与pd探测器连接；第二分光镜输出端与第二光纤准直器连接；旋转盘设置在第一光纤准直器与第二光纤准直器之间，旋转盘外侧轮廓曲线为阿基米德曲线且旋转盘外侧侧面设置为反光面。
7.对本技术方案进一步优化，所述光路解调模块包括宽谱激光相干光源、第三光纤环形器、第三分光镜、第三光纤准直器、反射镜与步进电机；宽谱激光相干光源设置在第三光纤环形器的一号端口，第三光纤环形器的二号端口与第三分光镜的输入端连接、三号端口与转角传感器输入端(即第一光纤环形器一号端口)连接，第三分光镜的输出端与第三光纤准直器连接；第三光纤准直器与反射镜之间形成空气光程，且反射镜固定安装在步进电机上，步进电机与外置的工业计算机电连接。
8.对本技术方案进一步优化，所述pd探测器与工业计算机连接。
9.对本技术方案进一步优化，所述传感器模块包括两组或以上转角传感器时，光路解调模块与传感器模块之间设置光纤分路器，光纤分路器输入端与第三光纤环形器的三号端口连接、输出端与各组的第一光纤环形器的一号端口连接。
10.对本技术方案进一步优化，所述光纤分路器可采用光开关或多路分路器独立构成，也可采用光开关或多路分路器多级级联构成。
11.对本技术方案进一步优化，所述旋转盘底部同轴设置转接轴，转接轴设置在待测转角设备上。
12.本发明具有如下技术效果：
13.本技术通过采用光纤器件作为转角测量的主要元件，能够有效免疫强电磁场且具有更好的抗酸碱等腐蚀的能力，进而有效避免环境因素干扰，环境影响因素低、抗干扰能力强；同时，通过第一分光镜、第二分光镜与第三分光镜的配合，有效消除光纤长度、环境温度等因素对测量结果的影响，有利于大跨度的远距离测量，从而有效应用于油、气等易燃易爆场合，安全系数高。
14.本技术通过外侧轮廓曲线为阿基米德曲线的旋转盘与第一光纤准直器、第二光纤准直器进行配合，将角度变化量转换为光程的位移变化量，从而实现无接触式的转角测量，整个系统的设备成本低廉、操作简单，且测量精度高、本技术系统角度测量精度低于1
°
，测量范围广、本技术测量范围为-90
°
～90
°
测量性能稳定。此外，本技术的系统结构还能有效避免传感器横向平移而引起的误差，从而便于转角传感器的移动，进一步确保测量的精确性与安全性。
附图说明
15.图1为本发明实施例中转角监测系统(单组转角传感器)的结构示意图。
16.图2为本发明实施例中转角监测系统(多组转角传感器)的结构示意图。
17.图3为本发明实施例中转角监测系统的旋转盘的结构示意图。
18.图4为本发明实施例中转角监测系统旋转盘旋转示意图；其中，左侧为逆时针状态旋转，中间为初始位置，右侧侧顺时针状态旋转。
19.图5为本发明实施例中转角监测系统旋转盘平移示意图；其中，左侧为向左平移，中间为初始位置，右侧向右平移。
20.其中，100、光路解调模块；200、传感器模块；300、光纤分路器；1、宽谱激光相干光源；2、第三光纤环形器；3、第三分光镜；4、第三光纤准直器；5、反射镜；6、步进电机；7、第一光纤环形器；8、第一分光镜；9、第一光纤准直器；10、旋转盘；11、转接轴；12、第二光纤环形器；13、第二分光镜；14、第二光纤准直器；15、pd探测器。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.实施例1：
23.如图1～2所示：一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，其特征在于：包括光
路解调模块100与传感器模块200；光路解调模块100与传感器模块200相连，传感器模块200包括至少一组转角传感器。
24.以下，对传感器模块200包含一组转角传感器进行结构描述，如图1所示：光路解调模块100包括宽谱激光相干光源1、第三光纤环形器2、第三分光镜3、第三光纤准直器4、反射镜5与步进电机6；宽谱激光相干光源1设置在第三光纤环形器2的一号端口(即输入端)，第三光纤环形器2的二号端口与第三分光镜3的输入端连接、三号端口与转角传感器输入端(即第一光纤环形器7一号端口)连接，第三分光镜3的输出端与第三光纤准直器4连接；第三光纤准直器4与反射镜5之间形成空气光程，且反射镜5固定安装在步进电机6上，步进电机6与外置的工业计算机电连接。步进电机6采用能够完成直线扫描过程的步进电机。
25.转角传感器包括第一光纤环形器7、第一分光镜8、第一光纤准直器9、旋转盘10、第二光纤环形器12、第二分光镜13、第二光纤准直器14与pd探测器15；第一光纤环形器7的一号端口与光路解调模块100的出射口(即第三光纤环形器2的三号端口)连接、二号端口与第一分光镜8的输入端连接、三号端口通过光纤与第二光纤环形器12的一号端口连接，第一分光镜8输出端与第一光纤准直器9连接；第二光纤环形器12二号端口与第二分光镜13的输入端连接、三号端口与pd探测器15连接、pd探测器15与工业计算机连接；第二分光镜13输出端与第二光纤准直器14连接。
26.旋转盘10设置在第一光纤准直器9与第二光纤准直器14之间(且如图1所示：第一光纤准直器9与第二光纤准直器14的出射端与旋转盘10相对设置)，旋转盘10外侧轮廓曲线为阿基米德曲线，即如图3所示，旋转盘10轮廓曲线为：r＝10
·
(1+t)，x＝r
·
cos(t
·
360)，y＝r
·
sin(t
·
360)；且旋转盘10外侧侧面设置为反光面(可通过设置在旋转盘10外侧设置反光镜面或贴设反光层实现，采用本领域常见手段即可)。旋转盘10底部同轴设置转接轴11，转接轴11设置在待测转角设备上。
27.以下，对传感器模块200包含两组或(两组)以上转角传感器进行结构描述，如图2所示：当传感器模块200包含两组或(两组)以上转角传感器时，光路解调模块100与传感器模块200之间设置光纤分路器300，其中光纤分路器300的输入端与光路解调模块100的第三光纤环形器2的三号端口(即输出端)连接，光纤分路器300的各组输出端分别与对应的两组或(两组)以上转角传感器的第一光纤环形器7的一号端口(即输入端)连接。光纤分路器300可采用光开关或多路分路器独立构成，也可采用光开关或多路分路器多级级联构成，本领域技术人员可根据实际情况采用具体的光纤分路器300结构。
28.需要说明的是：上述除特殊限定外，所有元件的连接均通过光纤进行连接(即图1或图2实线部分)。
29.工作原理：
30.工作时，宽谱激光相干光源1发出的光经过第三光纤环形器2的一号端口(即输入端)被耦合到第三光纤环形器2、并由第三光纤环形器2的二号端口进入第三分光镜3。第三分光镜3将进入其内的光分成两个部分：一部分被反射后、重新回到第三光纤环形器2的二号端口；另一部分透射过第三分光镜3、并经过第三光纤准直器4发射到反射镜5上，由反射镜5反射、光重新耦合入第三光纤准直器4，并依次经过第三分光镜3、第三光纤环形器2的二号端口。其中，第三分光镜3与反射镜5之间的光程被定义为解调光程，解调光程可细分为光纤光程与空气光程，由于反射镜5固定设置在步进电机6上，因此当步进电机6位置发生改变
时，空气光程的长度随之改变，进而让实现解调。
31.第三光纤环形器2内的光通过三号端口(即输出端)出射，耦合进入第一光纤环形器7一号端口(当为一组转角传感器组成的传感器模块200时，第三光纤环形器2三号端口的光直接耦合进入第一光纤环形器7的一号端口，参见图1所示；当为两组或以上转角传感器组成的传感器模块200时，第三光纤环形器2三号端口的光通过光纤分路器300后、耦合进入第一光纤环形器7的一号端口，参见图2所示)，并由第一光纤环形器7的二号端口进入第一分光镜8；进入第一分光镜8的光被分成两个部分：一部分被反射后、重新回到第一光纤环形器7的二号端口；另一部分透射过第一分光镜8、并经过第一光纤准直器9投射到旋转盘10的侧面，经过旋转盘10侧面反射后、光重新耦合入第一光纤准直器9，并依次经过第一分光镜8、第一光纤环形器7的二号端口。第一光纤环形器7的三号端口(即输出端)的光入射到第二光纤环形器12的一号端口(即输入端)，并由第二光纤环形器12的二号端口进入第二分光镜13；进入第二分光镜13的光被分成两个部分：一部分被反射后、重新回到第二光纤环形器12的二号端口；另一部分透射过第二分光镜13、并经过第二光纤准直器14投射到旋转盘10的侧面，经过旋转盘10侧面反射后、光重新耦合入第二光纤准直器14，并依次经过第二分光镜13、第二光纤环形器12的二号端口；此外，光由第二光纤环形器12的三号端口(即输出端)耦合进入pd探测器15，pd探测器15将光信号转化的电信号传输至工业计算机，工业计算机将得到的电信号进行计算后，完成对于转角的测量。
32.转角测量的具体过程如下：
33.首先，定义光程：
34.传感光程a(以下简称光程a，图1或图2中用点划线表示)：第一分光镜8到旋转盘10侧面的光程a1、第二分光镜13到旋转盘10侧面的光程a2，其中，光程a＝光程a1+光程a2；
35.解调光程b(以下简称光程b，图1或图2中用点线表示)：第三分光镜3到反射镜5之间的光程；
36.导引光程c(以下简称光程c，图1或图2中用实线表示)：除光程a与光程b之外，所有的光程(即光纤连接光程)；
37.基于双光束相干原理，当两束光光程相等时，pd探测器15中获得极强信号。具体到本技术实施方案，本技术中所涉及的两束光的光程为：光程a+光程c、光程b+光程c；步进电机6进行直线扫描运动，光程b发生连续改变，扫描过程中，必有一点使得光程b与光程a相等，即光程a＝光程b、光程a+光程c＝光程b+光程c，此时，pd探测器15中获得极强信号；获得极强信号时，记录步进电机6所在位置。
38.当光程a发生改变时，光程b也会进行相应的变化，步进电机6位置也会随之发生改变。
39.光程a的改变反映了旋转盘10的转角变化，如图4所示，即光程a1、光程a2会跟随旋转盘10转动而发生改变，进行实现对于转角的测量。
40.整个测量过程中，由于光程a+光程c＝光程b+光程c，因此，光程c的改变不会对测量结果产生影响；因此，光程c的长度可以任意改变，从而确保转角传感器能够安装到任意远的距离，并不会引入额外的误差；同时也能够保证未来解调系统的维修、传感器的增设等，不会给系统带来额外误差。
41.此外，当旋转盘10发生平移时，如图5所示，一侧间距减小、另一侧间距增大，而两
侧间距之和始终是保持不变；因此，旋转盘10与转接轴11的横向平移不会引起两侧间距和的改变，从而消除旋转盘10与转接轴11横向平移所引起的误差。

技术特征：
1.一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，其特征在于：包括光路解调模块与传感器模块；光路解调模块与传感器模块相连，传感器模块包括至少一组转角传感器，转角传感器包括第一光纤环形器、第一分光镜、第一光纤准直器、旋转盘、第二光纤环形器、第二分光镜、第二光纤准直器与pd探测器；第一光纤环形器的一号端口与光路解调模块出射口连接、二号端口与第一分光镜的输入端连接、三号端口通过光纤与第二光纤环形器的一号端口连接，第一分光镜输出端与第一光纤准直器连接；第二光纤环形器二号端口与第二分光镜的输入端连接、三号端口与pd探测器连接；第二分光镜输出端与第二光纤准直器连接；旋转盘设置在第一光纤准直器与第二光纤准直器之间，旋转盘外侧轮廓曲线为阿基米德曲线且旋转盘外侧侧面设置为反光面。2.根据权利要求1所述的一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，其特征在于：所述光路解调模块包括宽谱激光相干光源、第三光纤环形器、第三分光镜、第三光纤准直器、反射镜与步进电机；宽谱激光相干光源设置在第三光纤环形器的一号端口，第三光纤环形器的二号端口与第三分光镜的输入端连接、三号端口与转角传感器输入端连接，第三分光镜的输出端与第三光纤准直器连接；第三光纤准直器与反射镜之间形成空气光程，且反射镜固定安装在步进电机上，步进电机与外置的工业计算机电连接。3.根据权利要求1或2所述的一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，其特征在于：所述pd探测器与工业计算机连接。4.根据权利要求2或3所述的一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，其特征在于：所述传感器模块包括两组或以上转角传感器时，光路解调模块与传感器模块之间设置光纤分路器，光纤分路器输入端与第三光纤环形器的三号端口连接、输出端与各组的第一光纤环形器的一号端口连接。5.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，其特征在于：所述旋转盘底部同轴设置转接轴，转接轴设置在待测转角设备上。

技术总结
本发明提供一种基于纤维光学测量技术的转角监测系统，包括光路解调模块（100）与传感器模块（200）；光路解调模块（100）与传感器模块（200）相连，传感器模块（200）包括至少一组转角传感器，转角传感器包括第一光纤环形器（7）、第一分光镜（8）、第一光纤准直器（9）、旋转盘（10）、第二光纤环形器（12）、第二分光镜（13）、第二光纤准直器（14）与PD探测器（15）。该系统测量转角成本低、精度高、测量性能稳定，且结构安全、稳定性高，能够实现转角的自动化测量。能够实现转角的自动化测量。能够实现转角的自动化测量。


技术研发人员：张平磊 姜涛 张滟 邱建军 郭静静 田亮亮
受保护的技术使用者：重庆文理学院
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/7/21