一种基于平面变周期透射光栅的光学位移传感系统

摘要

本发明公开了一种基于平面变周期透射光栅的光学位移传感系统，属于机械测试领域，包括变周期透射光栅、准直器组、检测光源、光谱仪、连接杆、步进电机和控制箱，所述准直器组安装在所述连接杆上，所述准直器组包括第一准直器和第二准直器，所述第一准直器通过光纤连接所述检测光源，所述第二准直器通过光纤连接所述光谱仪，所述第一准直器与所述第二准直器分别位于所述变周期透射光栅两侧且关于变周期透射光栅垂直对称，所述连接杆与所述步进电机的输出端相连，所述步进电机与所述控制箱电连接。本发明能够实现绝对位移测量、有效预防电磁干扰、电磁感应以及雷电引起的电磁冲击，并且对物体位移量的检测灵敏度高，线性度好。

说明书

技术领域

本发明属于机械测试领域，具体为一种基于平面变周期透射光栅的光学位移传感系统。

背景技术

光栅传感测试系统具有信噪比高、抗电磁干扰、灵敏度高等诸多特点。目前，已经广泛应用于航空航天、机械制造、光学传感、激光加工、光谱测试分析等领域，尤其是近年来随着光栅微结构加工技术的不断提高，具有结构紧凑、高稳定性、高信噪比的新型光栅传感系统已经逐步应用于雷达、医疗、光学分析、成像、通信等诸多方面。

随着光栅传感测试系统的广泛应用，各个领域对于光栅传感测试的要求也越来越严格，如何满足现在日益严格的测量需求，如何不受加工材料的限制快速加工，如何在电磁干扰、电磁感应以及雷电引起的电磁冲击下实现绝对测量，同时测量的精度和线性度不受影响成为现在光栅技术领域思考发展的方向。

目前设计采用光纤光栅、光纤Fabry-Perot、衍射光栅、光纤Mach-Zehnder结构等光学器件都能够实现位移传感测试。虽然通过采用以上技术可以实现位移传感输出，但是目前基于平面透射式衍射光栅的大量程光学绝对位移传感测试系统的研究相对较少，一方面受限于光栅器件制作工艺，另一方面整体传感系统设计方面的研究鲜有报道。

因此，如何提供一种基于平面变周期透射光栅的光学位移传感系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于平面变周期透射光栅的光学位移传感系统，能够实现绝对位移测量、有效预防电磁干扰、电磁感应以及雷电引起的电磁冲击，并且对物体位移量的检测灵敏度高，线性度好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于平面变周期透射光栅的光学位移传感系统，包括变周期透射光栅、准直器组、检测光源、光谱仪、连接杆、步进电机和控制箱，所述准直器组安装在所述连接杆上，所述准直器组包括第一准直器和第二准直器，所述第一准直器通过光纤连接所述检测光源，所述第二准直器通过光纤连接所述光谱仪，所述第一准直器与所述第二准直器分别位于所述变周期透射光栅两侧且关于变周期透射光栅垂直对称，所述连接杆与所述步进电机的输出端相连，所述步进电机与所述控制箱电连接。

进一步的，所述检测光源发出的光经过光纤传导，由所述第一准直器变成平行光照射到所述变周期透射光栅表面发生衍射现象，在所述变周期透射光栅另一侧所述第二准直器对衍射光进行接收，并通过光纤进入所述光谱仪。

进一步的，所述变周期透射光栅光栅周期由光栅线宽和光栅间距组成，光栅周期从700nm到1500nm逐渐增加，光栅线宽始终不变，为500nm，光栅间距按照0.025nm等差数列均匀增加。在传感过程中，当光斑位置移动时，由于光栅周期变化，光斑所照射区域的周期逐渐增加。

进一步的，在传感过程中，当光斑位置移动时，由于光栅周期变化，光斑所照射区域的周期逐渐增加，光斑照射在所述变周期透射光栅表面的位置发生改变时，产生的透射衍射波长也相对发生变化，通过对采样点线性拟合得到波长随位移变化的关系式：

Δλ＝kΔd+C (1)

其中：k为变周期透射光栅对应波长的位移灵敏系数，Δλ为光谱波长变化，Δd为位移变化，C为常数，再通过光谱仪监测透射衍射光谱波长变化，代入关系式中实现位移测量。

光斑照射在所述变周期透射光栅表面的位置发生改变时，产生的透射衍射波长也相对发生变化。通过对采样点线性拟合得到波长随位移变化的关系式，再通过光谱仪监测透射衍射光谱波长变化，代入关系式中实现位移测量。

进一步的，所述检测光源为900～1700nm的宽带光源。

进一步的，所述变周期透射光栅由超快激光加工技术在表面镀铝膜的硅片上进行刻槽制成。

进一步的，所述控制箱用于控制步进电机运动方向及行程，所述步进电机能够通过连接杆使准直器组沿着变周期透射光栅横向移动，所述准直器组中的第一准直器和第二准直器相对位置保持不变。

本发明的有益效果是：该传感系统设计简单，稳定性好，变周期透射光栅方便加工，检测光源为900～1700nm的宽带光源，覆盖了近红外探测所需波段，整体具有结构紧凑、抗电磁干扰、工作寿命较长的特点。

附图说明

图1附图为透射式变周期透射光栅位移测试系统原理图。

图2附图为准直器组照射变周期透射光栅侧面示意图。

图3附图为变周期透射光栅示意图。

图4附图为光斑在变周期透射光栅表面不同位置示意图。

图5附图为光斑照射不同位置所产生光谱示意图。

图6附图为去程过程光谱变化和去程与回程线性拟合示意图。

1-第一准直器，2-变周期透射光栅，3-第二准直器，4-检测光源，5-连接杆，6-步进电机，7-控制箱，8-光谱仪。

具体实施方式

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。

请参阅附图1-6，本发明提供了基于平面变周期透射光栅的光学位移传感系统，包括变周期透射光栅2、准直器组、检测光源4、连接杆5、步进电机6、控制箱7和光谱仪8。准直器组安装在连接杆5上，准直器组包括第一准直器1和第二准直器3，第一准直器1通过光纤连接检测光源4，第二准直器3通过光纤连接光谱仪8，第一准直器1与第二准直器3分别位于变周期透射光栅2两侧且关于变周期透射光栅2垂直对称，检测光源4发出的光经过光纤传导，由第一准直器1变成平行光照射到变周期透射光栅2表面发生衍射现象，在变周期透射光栅2另一侧采用第二准直器3对衍射光进行接收，并通过光纤进入光谱仪8。连接杆5与步进电机6输出端相连，步进电机6与控制箱7电连接。变周期透射光栅2由超快激光加工技术在表面镀铝膜的硅片上进行刻槽而成，光纤直径为600μm。其有益效果是：变周期透射光栅2能够作为角度以及位移测试的传感器件，透射光谱通常具有输出线宽窄、高信噪比、稳定性好等特点，同时其具有结构紧凑、抗电磁干扰、工作寿命较长等特点，超快激光加工不受限于加工材料材质，加工快速，加工区域热效应小、边缘精细、加工图样灵活，光纤直径为600μm，传输速度快。

变周期透射光栅2如图3所示，光栅周期d由光栅线宽a和光栅间距b所示。光栅周期d从700nm到1500nm逐渐增加，光栅线宽a始终不变，为500nm，光栅间距b按照0.025nm等差数列均匀增加。变周期透射光栅2作为传感器件，按照如图1所示结构搭建传感系统。采用900～1700nm宽带光源作为检测光源4，覆盖近红外探测所需波段，光栅周期从700nm到1500nm满足等差数列均匀变化，光栅间距b按照0.025nm等差数列均匀增加。光斑落在变周期透射光栅2表面短周期和长周期位置如图4所示，所产生的光谱示意图如图5所示。当光斑向短周期方向移动，短周期位置产生的波长较短的衍射波长，如图5(a)所示；当光斑移动至变周期透射光栅中间区域时位置时，所产生的光谱示意图如图5(b)所示；当光斑向长周期方向移动至长周期位置时，产生的波长较长的衍射波长，光谱如图5(c)所示。

光谱峰值的变化随准直器组相对变周期透射光栅2的位移变化呈线性关系。随着步进电机6推动连接杆5改变光斑照射在变周期透射光栅2表面的位置，对其位移传感特性进行测试。当位移量增加时，光斑由短周期向长周期方向移动，为去程过程，产生的透射衍射光谱光谱漂移如图6(a)所示，同理对回程进行测试，对采样点进行线性拟合能够得到波长随位移变化的位移灵敏度系数，拟合曲线示意图如图6(b)所示。

波长变化Δλ与位移变化Δd的相关关系可表述如下：

Δλ＝kΔd+C (1)

其中：k为变周期透射光栅对应波长的位移灵敏系数，C为常数。由(1)可知，若测得该传感系统对位移变化的灵敏度，即可通过光谱仪8监测透射衍射光谱波长变化，代入(1)对位移量进行监测，实现位移测量。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。