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光柵傳感器的結構原理及應用

發表時間:2018-05-03 文章出處:北京北成新控伺服技術有限公司人氣:-

光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件。

一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成,刻痕為不透光部分,兩刻痕之間的光滑部分可以透光,相當于一狹縫。精制的光柵,在1cm寬度內刻有幾千條乃至上萬條刻痕。

這種利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵,還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵,如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕,兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光,這種光柵成為反射光柵。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應,因而能提高測量精度。

光柵傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統四部分組成。標尺光柵相對于指示光柵移動時,便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。

這些條紋以光柵的相對運動速度移動,并直接照射到光電元件上,在它們的輸出端得到一串電脈沖,通過放大、整形、辨向和計數系統產生數字信號輸出,直接顯示被測的位移量。

光柵傳感器的結構及工作原理

光柵傳感器的結構均由光源、主光柵、指示光柵、通光孔、光電元件這幾個主要部分構成。

1、光源:鎢絲燈泡,它有較小的功率,與光電元件組合使用時,轉換效率低,使用壽命短。半導體發光器件,如砷化鎵發光二極管,可以在范圍內工作,所發光的峰值波長為,與硅光敏三極管的峰值波長接近,因此,有很高的轉換效率,也有較快的響應速度。

2、光柵付:由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵相互重疊,但又不完全重合。兩者柵線間會錯開一個很小的夾角,以便于得到莫爾條紋。一般主光柵是活動的,它可以單獨地移動,也可以隨被測物體而移動,其長度取決于測量范圍。指示光柵相對于光電器件而固定。

3、通光孔:通光孔是發光體與受光體的通路,一般為條形狀,其長度由受光體的排列長度決定,寬度由受光體的大小決定。它是帖在指示光柵板上的。

4、受光元件:受光元件是用來感知主光柵在移動時產生莫爾條紋的移動,從而測量位移量。在選擇光敏元件時,要考慮靈敏度、響應時間、光譜特性、穩定性、體積等因素。

將主光柵與標尺光柵重疊放置,兩者之間保持很小的間隙,并使兩塊光柵的刻線之間有一個微小的夾角θ,如圖所示。

當有光源照射時,由于擋光效應(對刻線密度≤50條/mm的光柵)或光的衍射作用(對刻線密度≥100條/mm的光柵),與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。

在兩光柵的刻線重合處,光從縫隙透過,形成亮帶;在兩光柵刻線的錯開的地方,形成暗帶;這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。

莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ(單位為rad)之間的關系為

(K稱為放大倍數)。

當指示光柵不動,主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角θ,而使主光柵沿刻線的垂直方向作相對移動時,莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動;光柵反向移動,莫爾條紋也反向移動。

主光柵每移動一個柵距W,莫爾條紋也相應移動一個間距S。因此通過測量莫爾條紋的移動,就能測量光柵移動的大小和方向,這要比直接對光柵進行測量容易得多。

當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時,莫爾條紋移動一個條紋間距。當兩個光柵刻線夾角θ較小時,由上述公式可知,W一定時,θ愈小,則B愈大,相當于把柵距W放大了1/θ倍。因此,莫爾條紋的放大倍數相當大,可以實現高靈敏度的位移測量。

莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的,對刻線誤差具有平均效應,能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響,可以達到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。因此,計量光柵特別適合于小位移、高精度位移測量。

光柵傳感器的特點

1、精度高。

光柵式傳感器在大量程測量長度或直線位移方面僅僅低于激光干涉傳感器。在圓分度和角位移連續測量方面,光柵式傳感器屬于精度最高的;

2、大量程測量兼有高分辨力。

感應同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特點,但分辨力和精度都不如光柵式傳感器;

3、可實現動態測量,易于實現測量及數據處理的自動化;

4、具有較強的抗干擾能力,對環境條件的要求不像激光干涉傳感器那樣嚴格,但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強,油污和灰塵會影響它的可靠性。主要適用于在實驗室和環境較好的車間使用。

光柵傳感器的種類

光柵主要分兩大類:一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵);二是透射光柵(也稱為長周期光柵)。

光纖光柵從結構上可分為周期性結構和非周期性結構,從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵,色散補償型光柵是非周期光柵,又稱為啁啾光柵(Chirp光柵)。

光纖Bragg光柵傳感器

光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時,在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化,從而形成永久性空間的相位,光纖光柵的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化。而在纖芯內形成的空間相位光柵,其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。

當一束寬光譜光經過光纖光柵時,滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產生反射,其余的波長將透過光纖光柵繼續往前傳輸,利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。

啁啾光纖光柵傳感器

與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同,在外界物理量的作用下啁啾光纖光柵除了△λB的變化外,還會引起光譜的展寬。

這種傳感器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的,啁啾光纖光柵由于應變的影響導致了反射信號的拓寬和峰值波長的位移,而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn/dT),僅影響重心的位置。通過同時測量光譜位移和展寬,就可以同時測量應變和溫度。

長周期光纖光柵傳感器

長周期光纖光柵(LPG)的周期一般認為有數百微米,LPG在特定的波長上把纖芯的光耦合進包層:λi=(n0-niclad)?Λ。式中,n0為纖芯的折射率,niclad為i階軸對稱包層模的有效折射率。光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減,留下一串損耗帶。

一個獨立的LPG可能在一個很寬的波長范圍內有許多的共振,LPG共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差,由應變、溫度或外部折射率變化而產生的任何變化都能在共振中產生大的波長位移,通過檢測△λi,就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上的共振帶的響應通常有不同的幅度,因而LPG適用于多參數傳感器。

光柵傳感器的應用領域

由于光柵傳感器測量精度高、動態測量范圍廣、可進行無接觸測量、易實現系統的自動化和數字化,因而在機械工業中得到了廣泛的應用。

光柵傳感器在航空航天器及船舶中的應用

先進的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好,而且可以減輕船體或航天器的重量,對于快速航運或飛行具有重要意義,因此復合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。

為全面衡量船體的狀況,需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力,普通船體大約需要100個傳感器,因此波長復用能力極強的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。

光纖光柵傳感系統可測量船體的彎曲應力,而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復用系統成功實現了帶寬為5kHz范圍內、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動態應變測量。

另外,為了監測一架飛行器的應變、溫度、振動,起落駕駛狀態、超聲波場和加速度情況,通常需要100多個傳感器,故傳感器的重量要盡量輕,尺寸盡量小,因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。

另外,實際上飛機的復合材料中存在兩個方向的應變,嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現多點多軸向應變和溫度測量的理想智能元件。

光柵傳感器在民用工程結構中的應用

民用工程的結構監測是光纖光柵傳感器最活躍的領域。對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等來說,通過測量上述結構的應變分布,可以預知結構局部的載荷及狀況,方便進行維護和狀況監測。

光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中,對結構同時進行沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等,還以監視結構的缺陷情況。另外,多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網絡,對結構進行準分布式檢測,并通過計算機對傳感信號進行遠程控制。

光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結構之一為橋梁。應用時,一組光纖光柵被粘于橋梁復合筋的表面,或在梁的表面開一個小凹槽,使光柵的裸纖芯部分嵌進凹槽中(便于防護)。

如果需要更加完善的保護,則最好是在建造橋時把光柵埋進復合筋。同時,為了修正溫度效應引起的應變,可使用應力和溫度分開的傳感臂,并在每一個梁上均安裝這兩個臂。

光柵傳感器在電力工業中的應用

光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現長距離低損耗傳輸,從而成為電力工業應用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。

在電力工業中,電流轉換器可把電流變化轉化為電壓變化,電壓變化可使壓電陶瓷(PZT)產生形變,而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移,很容易得知其形變,進而測知電流強度。這是一種較為廉價的方法,并且不需要復雜的電隔離。

另外,由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發危險事件,因此在線檢測電線壓力非常重要,特別是對于那些不易檢測到的山區電線。

光纖光柵傳感器可測電線的載重量,其原理為把載重量的變化轉化為緊貼電線的金屬板所受應力的變化,這一應力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。

這是利用光纖光柵傳感器實現遠距離惡劣環境下測量的實例,在這種情況下,相鄰光柵的間距較大,故不需快速調制和解調。

近年來,因冰雨導致的輸電線路桿塔的損壞時有發生。為了監測輸電桿塔的傾斜狀態,常用的方法是用GSM桿塔儀將傳感器檢測到的桿塔傾斜信息發送給管理人員和監控計算機,在計算機內進行數據處理,并根據具體的數據處理結果發出報警信息;另一種方法是將電阻應變片直接貼在輸電桿塔的結構件上,直接進行監測。這2種方法在應用時,都受到一些因素的限制,給監測工作帶來不利的影響。

近幾年,光纖傳感器的工程應用研究迅速發展。其中,光纖光柵傳感器是用光纖布拉格光柵作為敏感元件的功能型光纖傳感器,可以直接傳感溫度和應變以及實現與溫度和應變有關的其他許多物理量和化學量的間接測量。通過光纖光柵傳感器的應力變化數據可以反映出桿塔的傾斜狀態,將這種方法應用在桿塔的傾斜狀態監測中會有很大的優勢。

使用光纖布拉格光柵這一光纖傳感技術來實現輸電線桿塔傾斜狀態監測時,利用光纖布拉格光柵上應力變化引起的波長位移信息,得到光柵所感應到的應力變化信息,從而對應得到桿塔的傾斜狀態信息,實現對桿塔傾斜狀態的監測。

光柵傳感器在醫學中的應用

醫學中用的傳感器多為電子傳感器,它對許多內科手術是不適用的,尤其是在高微波(輻射)頻率、超聲波場或激光輻射的過高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬導體很容易受電流、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應,這樣會導致錯誤讀數。

近年來,使用高頻電流、微波輻射和激光進行熱療以代替外科手術越來越受到醫學界的關注,而且傳感器的小尺寸在醫學應用中是非常重要的,因為小的尺寸對人體組織的傷害較小,而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳感器。它能夠通過最小限度的侵害方式測量人體組織內部的溫度、壓力、聲波場的精確局部信息。

到目前為止,光纖光柵傳感系統已經成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場,在30℃~60℃的范圍內,獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量結果,而超聲場的測量分辨率為10-3atm/Hz1/2,這為研究病變組織提供了有用的信息。

光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中,醫生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導管插入病人心臟的右心房,并注射人一種冷溶液,可測量肺動脈血液的溫度,結合脈功率就可知道心臟的血液輸出量,這對于心臟監測是非常重要的。

光柵傳感器在我國高鐵運行安全技術中的應用

我們平時搭乘列車,有時會覺得震動很大,乘車不舒服,這就是列車車輪出現了扁疤或者多邊形。扁疤雖然只有幾微米,但因為高鐵運行速度快,卻會對高鐵產生極大震動。而傳感器的作用,就是發現列車哪些地方出現了扁疤。

所謂光纖光柵監測系統,其實就是將碳纖維拉成光纖,再刻成光柵以安裝在列車和鐵軌上的傳感器。光柵接收到激光信號后,會有反射波長,根據列車不同位置光柵反射回的波長情況,就可實時監測列車安全。

高鐵線路復雜多樣,放置傳感器成為了一個大問題。光纖傳感器的高明之處就在于利用鐵軌監測列車,即在鐵軌的某一小段放置傳感器,只要保證傳感器鋪放長度稍大于一個車輪周長,就能將所有經過這一段的列車車輪全部監測一次。同理,也可利用在車輪上放置傳感器監測鐵軌。

對于光纖光柵傳感器的優勢,一方面,傳統的傳感器使用電信號會受到火車及鐵軌產生的電磁信號干擾,而光纖則不存在這個問題;另一方面,中心研發的傳感器質量小,可直接安裝在高鐵上,并不影響列車正常運行。

光柵傳感器在數控機床上的應用

光柵傳感器作為數控機床直線軸的位置檢測元件,相當于人的“眼睛”,就是“監視”該直線軸在執行數控系統的移動指令后,該直線軸是否真正準確地運行到數控系統指令所要求的位置。

如果數控機床沒有安裝光柵傳感器,當數控系統發出直線軸的移動指令后,直線軸能否到達數控系統要求的位置,完全依靠數控系統調試的精度和機械傳動精度來保障。

數控機床使用一段時間后,由于電氣調試參數的修改和機械誤差的加大等原因,該直線軸很可能和數控系統指令所要求的位置相差很多,這時候數控系統根本不知道,維修和操作機床的人員也不知道,要想知道這個差距,維修人員就要對機床進行精度檢測。

所以數控機床沒有安裝光柵傳感器,就要定期對機床的精度進行檢查,一不小心,一旦忘記檢測數控機床的精度,很可能導致加工的產品精度超差甚至報廢。

如果數控機床的直線軸安裝了光柵傳感器,上述問題就不用人來操心了,由光柵傳感器來完成這個使命。

如果該直線軸由于機械等原因沒有準確到達該位置,光柵傳感器作為位置檢測元件,會向數控系統發出指令,使該直線軸能夠到達比較準確的位置,直到光柵傳感器的分辨率分辨不出來。

這時的光柵傳感器充當了獨立于機床之外的監督功能,象人的眼睛一樣,一直“監視”著直線軸的位置,保證了直線軸能夠達到數控系統要求的位置


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