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专利名称：一种光学位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学位移传感器，属于光电检测、光电传感和光信息处理的技术领域。
背景技术：
位移是工程检测中常见和重要的物理量之一，通过位移检测可以间接测出应力、 温度、速度等物理量[1]。位移检测技术就是把位移量转换成与之有确定关系的其它可测量的物理量的检测方法。随着工业技术的发展，位移检测变的十分重要且应用十分广泛，如科技测量、自动装置、机床控制等。位移传感器主要分为接触式和非接触式两种，接触式位移传感器一般是基于电子技术[2]，此类传感器容易受到电磁等环境因素的干扰。非接触式位移传感器中光学方法应用较多，如光纤位移传感技术[3]、光学干涉技术[4]、光栅计量技术[5] 等，但他们一般操作精度要求高，且制作也相对复杂。本发明基于石英晶体旋光效应原理，提出一种光学位移传感器。传感器采用两块石英晶体相结合的形式，与使用一块石英晶体相比，检测灵敏度提高一倍；由于石英晶体具有高旋光率特性，因此保证了较高的位移检测精度；采用双光路信号探测技术，可以消除光源发光功率波动和光强的吸收等影响因素；光学方法的采用使得该传感器不受电磁等环境因素的干扰，克服了普通电磁式位移传感器的缺点；该传感器结构原理简单、制作成本低、 并易于实现实时在线自动测量。该专利成果的发明可以很好的应用于位移传感领域。参考文献[1]魏仁选，姜德生.光纤F-P微位移测量实验研究[J]·光学仪器，2003，25 (5) 7 9[2]刘德全，王筱华.大位移测量的容栅传感器工作原理[J].大连轻工业学报， 1997，16(2) 18 22[3]赵勇，李鹏生，浦昭邦.光纤位移传感器进展及应用[J1.传感器技术，1999， 18(2) :2 6[4]李志能，沈梁，周效东.偏振态调制干涉型光纤传感器[J].浙江大学学报， 2002,36(1) 56 59[5]姜德生，何伟.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子·激光，2002，13(4) 420 430

发明内容
技术问题本发明的目的在于提出一种光学位移传感器，解决位移光学检测问题。 传感器采用双光路探测技术可以消除光源发光功率不稳定和光强吸收因素；采用光学方法使得该传感器不受电磁等环境因素的干扰，克服了普通电磁式位移传感器的缺点；该传感器结构简单、制作容易、成本低、易于实现实时在线自动测量；可以很好的应用于位移传感领域。
技术方案本发明的一种光学位移传感器包括顺序排列的激光器，第一偏振分束棱镜，位移传感元件，第二偏振分束棱镜，第一光电探测器，第二光电探测器，除法运算器； 其中传感元件由上下两块形状、性能完全相同的旋光率分别为正、负的等腰直角三角型第一石英晶体棱镜和第二石英晶体棱镜组成，第一石英晶体棱镜和第二石英晶体棱镜相对的两底面用光学胶胶合成为一整体，第一石英晶体棱镜和第二石英晶体棱镜的光轴方向垂直于其相对的两底面。第一石英晶体棱镜和第二石英晶体棱镜的斜面分别镀以保偏反射膜，使光线在反射处偏振状态不变。第一光电探测器，第二光电探测器采用型号规格完全相同的光电探测器。设石英晶体A和B在激光波长λ下的旋光率分别为士 α ；当位移传感元件3固定不动时，设光线在A中沿着光轴方向的传播长度为LA，光线在B中沿着光轴方向的传播长度为Lb。则光线经过La和Lb后的总旋光角度为
-偏振分束棱镜反射后的初始入射光强为Itl,则光电探测器5的接收光设经过第-
强为I1 = I0COS2 (β) = I0COS2 (La · α -Lb · α )则光电探测器6的接收光强为I2 = I0sin2(^ ) =I0Sin2 (La · α-Lb · α)除法器7输出的相对值为a = I2A1 = tg2 (La · α -Lb · α )
⑵
⑶
⑷ 当位移传感元件3向上位移Δ S后，则在晶体A和B中沿光轴方向光线传播的距离变化为ALa= ALb= AS，则光线在A中沿着光轴方向的传播长度为L/ =La-ALa = La-Δ S，光线在B中沿着光轴方向的传播长度为Lb' = Lb+Δ Lb = Lb+Δ S，则光线在A和B 中沿光轴方向总的旋光角度为
β ‘ = La
α -Lr
α = (La-AS) · α-(Lr+Δ S) · α (5)则此时光电探测器5的接收光强为I1' = I0Cos2 (β ‘ ) =I0COS2 (La · α-Lb · α-2 Δ S · α ) (6)此时光电探测器6的接收光强为I2' = I0Sin2 (β ‘ ) =I0Sin2 (La · α-Lb · α-2 Δ S · α ) (7)此时除法器7输出的相对值为 b = I9
7I1' = tg2(LA · α -Lb · α -2 Δ S · α )
⑶ 由(4)式和(8)式可得出位移量 AcV =
an
ctg^a - arctg^b
2·α
(9)有益效果根据以上叙述可知，本发明具有如下特点本发明基于石英晶体旋光效应原理，提出一种光学位移传感器。传感器采用两块石英晶体相结合的形式，与使用一块石英晶体相比，检测灵敏度提高一倍；由于石英晶体具有高旋光率特性，因此保证了较高的位移检测精度；采用双光路信号探测技术，可以消除光源发光功率波动和光强的吸收等影响因素；光学方法的采用使得该传感器不受电磁等环境
4因素的干扰，克服了普通电磁式位移传感器的缺点；该传感器结构原理简单、制作成本低、 并易于实现实时在线自动测量。该专利成果的发明可以很好的应用于位移传感领域。


图1 一种光学位移传感器系统结构示意图，图中有激光器1，第一偏振分束棱镜2，位移传感元件3，第二偏振分束棱镜4，光电探测器5、6，除法运算器7。位移传感元件3由上、下两块等腰直角三角型石英棱镜A和B组成，A和B相对的两底面使用光学胶胶合，A和B的光轴方向垂直于其相对的两底面，A和B的斜面分别镀以保偏反射膜。
具体实施例方式实施例1本发明的一种光学位移传感器所用装置如图1所示。图1中，1为激光器。2为第一偏振分束棱镜。3为位移传感元件，其由上、下两块结构和性能完全相同的等腰直角三角型石英晶体棱镜A和B组成，A和B通过光学胶将其水平底面胶合在一起，从而构成一整体传感元件；要求A和B中一块为正晶体，另一块为负晶体；斜面分别镀以保偏反射膜，使光线在斜面处反射时偏振态不变；晶体A和B的光轴方向为垂直于其水平底面方向，如图中石英晶体内标识线“ I ”所示。激光器1发出的激光经过第一偏振分束棱镜2反射后成为偏振方向垂直于纸面的线偏振光，该线偏振光沿水平方向垂直入射进入位移传感元件3中石英晶体A，此时光线传播方向垂直于光轴方向；在石英晶体A的斜面的保偏反射下，光线的偏振方向仍为垂直于纸面的线偏振光，且光沿着石英晶体A光轴的方向传播(即垂直于石英晶体A的水平底面传播)，传播至晶体A的水平底面后垂直入射进入晶体B，在晶体B中传播方向也为光轴方向，传播至晶体B的斜面后在保偏反射膜的作用下，光线沿垂直于光轴的方向水平输出离开传感元件3。光线在从A到B的过程中由于沿着光轴方向传播因此产生了旋光，从而离开位移传感元件3后光线中产生了垂直于纸面的振动分量和平行于纸面的振动分量，进入偏振分束棱镜4后，垂直于纸面的振动分量由光电探测器5接收，平行于纸面的振动分量由光电探测器6接收，光电探测器5和6将接收到的光强信息输入至除法运算器7处理，最终输出含有传感元件3位移信息的计算结果。设石英晶体A和B在激光波长λ下的旋光率分别为士 α ；当位移传感元件3固定不动时，设光线在A中沿着光轴方向的传播长度为LA，光线在B中沿着光轴方向的传播长度为Lb。则光线经过La和Lb后的总旋光角度为β = La · α -Lb · α(10)设经过第一偏振分束棱镜反射后的初始入射光强为Itl,则光电探测器5的接收光强为I1 = I0COS2C^) =I0Cos2 (La · α-Lb · α)(11)则光电探测器6的接收光强为I2 = I0Sin2 (β) = I0Sin2 (La · α -Lb · α )(12)除法器7输出的相对值为
a = I2A1 = tg2 (La · α -Lb · α )(13)当位移传感元件3向上位移Δ S后，则在晶体A和B中沿光轴方向光线传播的距离变化为ALa= ALb= AS，则光线在A中沿着光轴方向的传播长度为L/ =La-ALa = La-Δ S，光线在B中沿着光轴方向的传播长度为Lb' = Lb+Δ Lb = Lb+Δ S，则光线在A和B 中沿光轴方向总的旋光角度为β ‘ = La' · α -Lb' · α = (La- Δ S) · α - (Lb+ Δ S) · α (14)则此时光电探测器5的接收光强为I1' = I0Cos2 (β ‘ ) = I0Cos2 (La此时光电探测器6的接收光强为 I2' = I0Sin2 (β ‘ ) = I0Sin2 (La
α -Lb
α -Lb此时除法器7输出的相对值为b = I2' /I/ = tg2(LA · α-Lb · α-2AS · α )由(4)式和⑶式可得出位移量
权利要求
1.一种光学位移传感器，其特征在于该传感器包括顺序排列的激光器(1)，第一偏振分束棱镜O)，位移传感元件(3)，第二偏振分束棱镜，第一光电探测器(5)，第二光电探测器(6)，除法运算器(7)；其中传感元件C3)由上下两块形状、性能完全相同的旋光率分别为正、负的等腰直角三角型第一石英晶体棱镜(A)和第二石英晶体棱镜(B)组成，第一石英晶体棱镜(A)和第二石英晶体棱镜(B)相对的两底面用光学胶胶合成为一整体，第一石英晶体棱镜(A)和第二石英晶体棱镜(B)的光轴方向垂直于其相对的两底面。
2.如权利要求1所述的光学位移传感器，其特征在于第一石英晶体棱镜(A)和第二石英晶体棱镜(B)的斜面分别镀以保偏反射膜，使光线在反射处偏振状态不变。
3.如权利要求1所述的光学位移传感器，其特征在于第一光电探测器(5)，第二光电探测器(6)采用型号规格完全相同的光电探测器。
全文摘要
本发明基于石英晶体旋光效应原理，提出一种光学位移传感器。传感器采用正、负两块等腰直角三角型石英晶体棱镜，将位移变化转化为旋光角度的变化，进而通过检测接收光强得到位移信息。该传感器包括顺序排列的激光器(1)，第一偏振分束棱镜(2)，位移传感元件(3)，第二偏振分束棱镜(4)，第一光电探测器(5)，第二光电探测器(6)，除法运算器(7)；其中传感元件(3)由上下两块形状、性能完全相同的旋光率分别为正、负的等腰直角三角型第一石英晶体棱镜(A)和第二石英晶体棱镜(B)组成，第一石英晶体棱镜(A)和第二石英晶体棱镜(B)相对的两底面用光学胶胶合成为一整体，第一石英晶体棱镜(A)和第二石英晶体棱镜(B)的光轴方向垂直于其相对的两底面。
文档编号G01B11/02GK102278945SQ201110191500
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者梁忠诚, 沈骁 申请人:南京邮电大学