基于POF和Moiré图案的角度和位移传感器
基于POF和莫尔图案的角度和位移传感器
M. Lomer, J. Zubía*, M.A. Quintela, A. Quintela, and J. M. López Higuera
光子工程集团 - 坎塔布里亚大学
电子邮件：lomer@teisa.unican.es
摘要
现如今应用莫尔图案的传感器已经制成，该传感器使用聚合物光纤并对摩尔图案的角度和位移进行测量，其具体原理为在光学镜上使用两个透明的叠加的平面光栅，产生莫尔条纹。之后测量莫尔条纹的周期和周期数，应用公式获得相对角度和位移。使用这种技术，可以测得非常小的角度并获得非常高的分辨率。该传感器所使用的制成原理已经在实验室中得到了证实
关键词：角度和位移传感器，莫尔图案，塑料光纤。
1 引言
在广泛的工业应用中，莫尔条纹的位移和角度的同时测量是最受人们重视的主题。调
制方法具体包括干涉测量（Mach-Zehnder，Michelson或Fabry-Perot）[1,2,3,4 ]，强度[5,6]，光谱[7,8]，编码模式[9]等等，集中用于测量具有不同动态分辨率的位移范围。虽然有几种
方法被提出通过测量角度[9,10]获得数据。然而，在相同的情况下，根据所使用的感测原理
或解调技术的技术复杂性的不同，有的解调方法可能需要困难的技术，有的解调方法会提
高针对特定应用的成本，所以有必要提出在光学传感技术实际应用中使用简单并低成本的
解决方案作为代替。
使用塑料光纤（POF）的传感器可以作为低成本替代物，理由包括：容易操作和进行光学连接，可以使用简单光源，具有优秀的灵活性，造价低廉等等。如果使用该传感器，在水平建筑光通信和传感的解决方案中具有潜在的技术/成本比优势。而在最近，实验证明使用POF，产生由两个相同的透明光栅的重叠形成的莫尔图案是可行的[11]。
在上文中，主要叙述了使用聚合物光纤和莫尔图案的角度和位移传感器。其传感器原理，传感器头结构都如下文所示。并且展示和分析了实验结果。
2 传感原理和传感器结构
感测原理基于对莫尔图的周期和周期的测量。如果两个透明平面均匀光栅以它们自己的边缘为基准以一个相对角度重叠，则产生莫尔图案。这种效果，如图1所示。
图1.由两种条纹（不透明和透明条纹）产生的莫尔条纹图案：a）在被叠加之前的周期P的光栅，以及b）周期P'的莫尔条纹图案，其形成以角度α重叠的两个相同的均匀图
案。
如图1.b所示的莫尔条纹产生的条件为图1.a所示的周期为P的两个均匀条纹图案的重叠。条纹的方向垂直于叠加的条纹之间的角度的平分线。由周期P的两个相同光栅形成的莫尔光栅的周期P'的计算方法如下[12]：
其中α是由两个重叠条纹的倾斜形成的角度。这种关系首先由Lord Rayleigh于1874年在他引入了Moiré技术来评估衍射光栅时发现[13]。
综上所述，测量莫尔条纹P'的周期，然后由周期P的光栅知道所计算的角度α。之后测量位移和条纹的数量，后者是以半个莫尔周期的分辨率测量的。在图2中，针对五个不同的光栅边缘周期给出了莫尔周期与角度α。
图2. - 周期P'（由重叠两个相同的均匀图案形成）的莫尔条纹图案在条纹周期P为1，0.8; 0.6; 0.4; 和0.2mm时与其角α的关系。
图3（a）示出了传感器头结构。基本上，它由两个主要部分或子系统集成：发射、接收部分和莫尔图案生成部分。后者由光学镜上的两个均匀光栅形成。在平面镜上产生一个光栅，然后发射部分输出第二个清晰的光栅，重叠在反射镜上的第一光栅上。尽管发射和接收部分也可以使用光纤和耦合器，但在本文中，两个光纤用于照明并产生莫尔图案进行计算：一个用于照明，另一个用作收集光纤。来自发射光纤的光照射到莫尔图案生成部。然后，反射光被第二光纤收集。然后记录y方向上的位移（在检测器处理之后）作为条纹图案。通过非常简单的计算可以利用检测到的信号（在光电单元中）轻松地获得角度和位移。
图3.光纤传感器的结构和原理。a）传感头结构。b）光功率耦合曲线。
为了获得发射纤维和接收纤维之间的最佳光功率耦合，并且最大化对x轴向位移的不敏感性，获得耦合曲线。光纤边缘和反射镜之间的最佳工作距离d的数值为二次曲线的峰值。
3 实验结果
图4为获得的实验耦合曲线。它是没有处理过的测量量。所使用的POF芯直径为
0.98mm。所使用的光源是λ=0.6328μm的激光器。该曲线具有可识别的两个灵敏度斜率，并且可以看出在光纤和物镜之间的距离对应为3.5mm时的最大拾取是3.8μW。第一斜率的灵敏度为2.1μW/ mm，而第二斜率的灵敏度为-0.9μW/ mm。利用实验结果，在该大尺寸示范实验中应该使用3.5mm的最佳工作距离来构造传感器头结构。
图 4.传感器头结构的实验光功率耦合曲线。
沿y轴实现校准位移，然后获得如图5所示的莫尔条纹。
图5.为当两个相同的光栅分别以a）10°和b）20°的角度重叠时，实验测量莫尔条
纹。
在该传感器实验中，使用周期为0.4mm的两个光栅产生莫尔图案。之后，对于重叠角度α= 10°和20°时，测量周期分别为2.2mm和1.1mm。
为了证实所提出的传感器的角度测量能力，进行了一系列广泛的实验。从实验得出的结果总结在图6中。可以看出，这些结果与由表达式（1）给出的理论预测非常一致，因此可以证明在相对角度非常小的情况下依旧能得到非常高的角度分辨率。通过对莫尔检测信号的适当处理，获得光栅之间的相对角度，然后获得莫尔光栅周期和在光电单元上测量的条纹的数量。之后，很容易确定位移。由于位移分辨率是半波纹边缘周期，因此可以使用较低的边缘光栅周期并在传感器头结构中适当减小收集光纤直径来改善位移分辨率。因此，可以使用这种提出的技术来构造，定制，设计低成本的传感器系统。
图.6莫尔条纹的周期P和它们的重叠角α。两个光栅周期为P = 0.4mm。
4 结论
在本文中提出并用实验证明了使用POF和莫尔图案能够同时测量位移和非常小角度的外在传感器系统的可行性。在光学镜上使用两个透明的叠加的平面光栅，产生莫尔条纹。之后测量光学检测信号的周期和周期数，获得相对角度和位移。过程中可以使用较低的边缘光栅周期和适当减小传感器头结构中的收集光纤直径来改善位移分辨率。现已在实验室成功证实，使用这种技术可以测量非常小的角度，并获得非常高的分辨率。因此，可以使用这种提出的技术来构造，定制，设计低成本的传感器系统。
致谢
这些工作是在由西班牙政府科学技术部资助的SuGAROS TIC-2001-0877-C02-01和EAMOP TIC-2002-01259项目框架下进行的。
参考文献
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参考文献原文