培训1.2射频、光纤基础知识pr_图文_百度文库
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培训1.2射频、光纤基础知识pr
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专利名称一种光纤位置数字编码器及其应用的制作方法
技术领域本发明涉及一种光纤位置数字编码器及其应用，所述的光纤位置数字编码 器可以应用于基于位移、角度传感原理的光纤传感器，属于光纤传感器领域。
背景技术位置(角位置)或位移(角位移)的测量是测计量、传感领域基本的长 度(角度)物理的测量。位移的测量根据测量范围和测量精度的不同，有多 种方法，总体可以分为微位移的测量、小位移测量、位移测量和大位移测量， 各有不同的测量技术。对于小位移测量、位移测量，最基本的方法就是刻度 尺(量角器)的方法，该方法需要人目视得到结果，因此随着技术的发展， 出现了位置数字编码器来实现自动测量。在位置数字编码器中，人们利用了 其它技术替代目视测量，从而使其标尺的线条密度大大提高，可以达到每毫 米千线量级，因此检测的精度得到极大的提高，同时其测量范围也扩大，可 达数十毫米至数十厘米，利于转动机构的计圈数可以将测量范围无限扩大， 是应用最为广泛的高精度测量技术。
位置数字编码器是一类重要的位置传感器，包括线性直线位置、旋转角 位置两种，通过计数或多比特位编码实现两个位置的距离或角度的检测，从 而实现直线位移或旋转角度的测量。由于其直接数字量输出，具有很强的抗 干扰能力，可靠性高，应用十分广泛。位置数字编码器主要有两种类型增 量式编码器(脉冲式编码器)，绝对式编码器(码盘式编码器)。增量式编码 器是一个计数系统，移动或旋转的编码器给出一系列脉冲，它在计数中对某 个基数进行加或减，从而记录移动或旋转的位移量。该种编码器在计数过程 中不能中断，否则位移量不能确定。为此， 一种改进的编码器是具有零位指 示的编码器，即增设一路绝对零位指示信号。绝对式编码器在检测范围内的
任意位置给出一个固定对应的数字输出，位移测量无需计数，只需要将两个 位置对应的数字相减就可以得到所测量的位移量。位置数字编码器具有精度 高、测量范围大、数字式检测的特点，区别于其它的直线位移和旋转角度的 传感原理，如电阻位移(角度)传感器、电感位移传(角度)感器、电容位 移(角度)传感器等。
位置数字编码器主要有光电位置编码器、磁栅位置编码器、感应同步器、 电阻接触式编码器四大类，其中，光电位置编码器具有较高的精度，应用更 为广泛。
光电位置编码器，包括光栅读数头和信号处理电路两部分。光栅读数头 的主要部分是光栅副(一对光栅)，根据结构特点和使用场合光栅读数头可以 划分为分光读数头、光电池直接接收式读数头、镜像式读数头及反射式光栅 读数头。光栅读数头由光源、准直透镜、光栅副、光电探测器、狭缝、光阑 及调整机构组成。光栅副是光栅读数头的主要部分，是由主光栅和指示光栅 构成的一对光栅，根据光栅的莫尔条纹原理进行检测。光电位置编码器中使
用的光源包括钨丝灯、微型灯泡、发光二级管，波长为可见光或910nm至 940nm的近红外光的非相干光。光电探测器采用硅光电池，尺寸约为10X 10mm2。光电位置编码器中准直透镜将通过狭缝的光源光束进行扩束、准直， 以提高莫尔条纹的反差，在要求低时采用简单的单片透镜，要求高时釆用双 胶合透镜。同时还需要聚焦透镜，将光栅副形成的莫尔条纹聚焦于硅光电池。 为了适应判别方向和补偿直流漂移的需要，通常需要二相或四相的信号，即 二路或四路信号输出，构成多相型的光电编码器。
现有的光栅读数头需要电源供电、光电探测器输出的电信号需送入近距 离的信号处理电路。在有些读数头结构中，为了避免光源箱发热对读数头的 影响，采用光导管传送光至读数头，也有利用光导管将光信号接收并传送至 信号处理电路，光导管为很粗的光波导，不同于芯径仅几微米至几十微米的 通信光纤，虽然光导管光信号耦合方便，但光传输损耗大，只能实现近距离 的传输。因此，光电位置编码器无法实现远距离的遥测，也无法应用于野外、 存在雷击干扰，易燃易爆，现场无法供电，以及存在较强电磁干扰的使用场
磁栅位置编码器是由磁尺或磁盘、磁头和检测电路组成。磁栅上录有等 间距的磁信号，磁头沿磁栅尺运动检测磁信号，并转化为电信号，从而进行 位移检测。磁栅是用不导磁的材料做基底，在基体的表面上均匀地涂覆一层
0.10至0.20mm的磁性薄膜，然后录上一定节距的磁信号。磁头分为动态磁 头和静态磁头。动态磁头即速度响应磁头，当相对运动速度很慢或相对静止 时，输出信号很小或为零，其应用受到限制，不适合于位移测量。静态磁头 是磁通响应式磁头，需要激励线圈的电磁激励才能工作。因此，磁栅位置编 码器应用于位移测量时要采用静态磁头，必须提供电源。由于磁头输出信号 比较弱，检测电路必须与磁头的距离较近，信号易受到电磁干扰。
感应同步器是利用交流电磁场和互感原理工作，由可以相对移动的滑尺 和定尺(直线式)或转子和定子(旋转式)组成。工作时需要在其中一种绕 组上通以交流激磁电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感生电动势， 该感生电动势随两种绕组的相对位置不同呈正弦、余弦变化。因此，感应同 步器应用时必须提供电源。由于耦合磁场不强，电磁耦合输出信号比较弱， 检测电路必须与磁头的距离较近，信号易受到电磁干扰。
电阻接触式编码器，在绝缘基体上设计粘贴导电铜箔，不粘铜箔的地方 是绝缘的，利用电刷与铜箔接触导电与否读取相对位置信号。电刷与铜箔的 接触导电不够可靠，应用不多。电阻接触式编码器器应用时必须提供电源， 检测电路必须与传感头的距离较近，信号易受到电磁干扰。
综上所述，现有的位置数字编码器的共同特点是
1、 读数头与信号处理单元只在近距离范围内，难以实现数米至数千米的
测量，也难以在较大的范围内构成多点测量网络；
2、 读数头必须提供电源，无法适应不能长时间供电的工作场合；
3、 读数头与信号处理单元易受到雷电和强电磁干扰，不适应野外和强电 磁场环境；
4、 读数头与信号处理单元都带电，应用于易燃易爆场合需进行隔爆处理， 不能实现本安型防爆；
5、 在潮湿的环境中，潮气会影响电路的长期可靠性，野外环境的应用受 到限制。
因此，现有的位置数字编码器在长距离测量、无常备电源、野外、潮湿、 强电磁干扰、易燃易爆等应用场合存在不足之处，限制了其应用，本发明正 是要解决这些问题。
针对现有的位置数字编码器在长距离测量、无常备电源、野外、潮湿、强 电磁干扰、易燃易爆等应用场合的不足之处，本发明目的在于提供一种光纤 位置数字编码器及其应用，针对性地来解决现有位置数字编码器这些不足。
本发明提供的一种光纤位置数字编码器。其特征在于(1)光纤位置数 字编码器包括光纤位置敏感头和信号解调单元两个组成部分，两部分相互分 离并通过光纤连接，可以实现远距离的检测；(2)单个信号解调单元可以连 接多个光纤位置敏感头，实现多点的网络化信息采集；(3)光纤位置敏感头 部分是无源的，安装在一个结构中并与传动机构连接，输入光信号利用光纤 从信号解调单元传输而来，光信号通过由主光栅、指示光栅构成的编码器， 两光栅相对运动对光信号进行调制与编码，输出光信号通过输出光纤传输至 解调单元；(4)信号解调单元包含光源、光电探测器、信号处理电路、输出 电路、接口及电源，解调单元通过光纤输出光信号至光纤位置敏感头，同时 接收光纤位置敏感头输出的编码光信号并进行解调、计数获得光栅之间的相 对位置；(5)利用直线光栅尺实现线性位置检测，利用圆光栅实现角位置检 测；(6)该光纤位置数字编码器与传动、转换机构结合可以实现高精度、大 范围的位移传感，并进而构成基于位移、角度检测原理的一类光纤传感器， 如光纤液位传感器、光纤雨量传感器、光纤地表位移计、光纤地下水位/地表 沉降仪等。
所述的光纤位置数字编码器的特征在于光纤位置敏感头和信号解调单元 的两部分的连接光纤是单模或多模光纤，光源是用于光纤通信、光纤传感系 统中各种光源，光纤的传输距离从小于1米至数十千米，甚至更远。
所述的光纤位置敏感头的特征在于，包含一对或多对输入、输出光纤， 也可以利用光纤的双向传输特性将一对输入、输出光纤用一根光纤取代而实 现的。输入、输出光纤利用光纤准直器进行光束扩束准直、光信号的耦合， 光纤准直器可以是微透镜准直器，也可以是利用多模光纤或热扩束光纤构成 的准直器发明内容
所述的光纤位置敏感头部分的特征还在于，数字编码光学光栅是由相互 平行的主光栅、指示光栅构成。主光栅一般采用单码道，也可以设计零位码 道或其它特殊码道构成多码道。指示光栅一般包含两部分光栅，彼此相差四 分之一光栅周期。两部分光栅分别与两路光纤检测光路相对应，可以是左右 排列，也可以上下排列。指示光栅可用光学狭缝取代，此时输入光纤在光栅 上的光斑尺寸为小于1微米至数十微米；所述的一种光学狭缝，其特征在于， 该狭缝的开口宽度为小于1微米至数十微米。
所述的光纤位置敏感头部分的特征还在于，至少有一路光纤检测光路， 也可以为多路光纤检测光路，光纤检测光路可以是透射式光路，也可以是反 射式光路。
所述的光纤位置敏感头部分的特征还在于，构成数字编码的光学光栅可 以直线光栅，也可以是圆光栅，分别实现线性位置，角位置的检测。编码光 栅可以是透过率调制的透射式光栅，也可以是反射率调制的反射式光栅，分 别应用于透射、反射光纤检测光路。数字编码的光学光栅结构为按光栅周期 重复的调制图形，调制图形可以是简单的细长矩形或扇形，也可以设计其它 更复杂的调制图形。
所述的光纤位置敏感头部分，其特征还在于，在各种应用中与线性传动 机构、旋转机构结合可以实现线性位移、角位移的传感。
所述的光纤位置敏感头部分的特征还在于，根据设计可以实现相对位置 检测、带零位的位置检测、绝对位置检测。
所述的信号解调单元的特征还在于，信号解调单元可以支持1个或N个
光纤位置敏感头。理论上N可为无穷大，N的取值范围为正整数通常为数百
个光纤位置敏感头。
综上所述，本发明提供的一种光纤位置数字编码器由光纤位置敏感头和 信号解调单元两个组成部分，两部分相互分离并通过光纤连接，可以实现远 距离的检测。 一个信号解调单元可以连接一只光纤位置敏感头，根据不同的 设计输入/输出光纤可以为多根，传输距离可以长达数十千米。为了适应野外 或其它恶劣的工作场合，对光纤位置敏感头进行密封封装并采用防水结构， 对信号解调单元进行电磁屏蔽并采用防水结构，输入/输出光纤采用铠装光纤 或光缆。 一个信号解调单元至少连接1只光纤位置敏感头，光纤位置敏感头 可以多达数百只。
所述的光纤位置敏感头的结构是由输入光纤、输出光纤、微光学系统位 移或转动的传动机构和数字编码光学光栅组成，数字编码光学光栅一面与位 移或转动的传动机构相连，另一面与微光学系统相连，微光学系统的另一面 则与输入或输出光纤相连，输入光信号从信号解调单元传输而来准直后经编 码器进行调解和编码再传至解调单元。数字编码光学光栅可以是一对光栅(通 常具有相同的光栅参数)，特殊情况下也可以是一个光栅；微光学系统，可以
采用C-Lens或G-Lens，对光纤进行光束准直，准直后的光斑直径约数百微 米。光纤位置敏感头部分是无源的，即无需供电电源。光纤位置敏感头检测 直线位移、旋转角位移时分别配置光栅尺、圆光栅。光栅的每毫米线数、每 圆周线数根据制造工艺和检测精度要求来确定，占空比一般为1:1。
光纤位置敏感头中的微光学系统分为透射式光学结构和反射式光学结构 两种。
主光栅在位移或转动的传动机构带动下平动或转动有两种情况 一种情 况是数字编码光学光栅是透射光栅，对光学透过率进行调制，设计时尽量增 大调制度，通常在l: 2以上，采用黑白透射光栅效果最佳。当指示光栅在输 入光纤一侧时，指示光栅和输入光纤准直微光学系统粘结在一起；当指示光 栅在输出光纤一侧时则指示光栅与输出准直光学系统粘结在一起，两种情况 中粘结时保持指示光栅平面垂直于准直光束。
主光栅在位移或转动的传动机构带动下平动或转动的另一种情况是数 字编码光学光栅的主光栅是反射式光栅，对光学反射率进行调制，其调制度 设计时尽量增大，通常在l: 2以上，采用黑白反射光栅效果最佳。指示光栅 仍为透射光栅，它与输入或输出准直微光学系统粘结在一起，粘结时保持指 示光栅平面垂直于微光学系统的光轴，光栅的栅线与双光纤光轴所在平面垂 直，光斑直径为数百微米。
为了判别移动或转动的方向，在实施中采用二相型或四相型位置读数方 式，这里以二相型位置读数方式进行说明。主光栅采用单码道，指示光栅包 含两部分光栅，彼此位相差为兀/2，即彼此错位四分之一光栅周期。这两部 分光栅可以是左右排列，也可以上下排列，分别与两路光纤检测光路相对应。 主光栅也可以增加设计绝对零位光栅实现绝对零位检测，与检测码道构成上 下排列关系，对应需增加一路光纤检测光路。实施中根据需要还可以增加其 它特殊码道构成多码道，对应需增加相同数量的光纤检测光路。
所述的信号解调单元是由光源、光电探测器、信号处理电路、通信及控
制输出电路和电源组成。其中光源为半导体光源，通常为波长为1.55或L3pm 的半导体激光器， 一般带有光隔离器，通过输出光纤，也可以是其它光纤输 出的光源与光纤位置敏感头相连接。根据需要可以配置光功率反馈电路来稳 定光输出功率。在图6中，13还应包括光分路器，将单一激光源为一路或分 成多路光纤输出。当N较大，信号的信噪比不能满足检测要求时，可以增加 半导体激光器和光分路器的数量，以使信号的信噪比满足检测要求。根据使
用的波长选择m-v族的光电探测器阵列或硅光电探测器阵列，要求灵敏度
高、噪声低，使用光纤输入。光电探测器的一端与光纤位置敏感头中的输出 光纤相连，光电探测器的输出光电流信号输入信号处理电路，进行30-50dB 的信号放大，放大的信号进入通信及控制输出电路，信号处理电路包括光电 探测器放大电路、判向电路、计数电路等，根据需要可以包括信号细分电路。 最后通信及控制输出电路根据不同的应用包括显示、数据接口、网络接口、 无线发射等，根据需要配置。根据传感器组网的需要，可以通过多种接入方 式将多个信号解调单元构成传感网络，并能将检测数据传送至网络服务器。 电源的配置供给光源、光电探测器、信号处理电路以及输出电路，应保证信 号解调单元在特殊情况下也不能断电，以保证位移的计数准确，因此需要配 置应急的电池，保证l-7天的正常工作。
本发明提供的光纤位置数字编码器的基本工作原理为信号解调单元内 部的光源发出的激励光信号通过光纤远距离传输到光纤位置敏感头内部由主 光栅和指示光栅构成的编码器，当被测位移或角度发生变化时，传动机构带 动光纤位置敏感头内部的编码器中主光栅和指示光栅发生相对移动或转动， 从而将从信号解调单元传输而来的光信号经编码器调制成实时相位变化的可 计数光脉冲序列并沿输出光纤返回到信号解调单元，由信号解调单元进行光 电转换及放大、两路检测信号鉴相、脉冲计数后计算出光纤位置敏感头的实 测位移或角度的数值，最后通过标准通信接口实现数据上传。
发明的光纤位置数字编码器包括光纤线性位置数字编码器和光纤角位置 数字编码器两种。光纤线性位置数字编码器与线性传动机构结合可以实现线 性位移的检测。光纤角位置数字编码器与旋转传动机构结合可以检测角位移，
旋转传动机构与转换机构如同轴的绕线圆盘组合可以将角位移量转化为线位 移量，从而实现高精度、大范围的位移传感。基于本发明提供的光纤位置数 字编码器，可以构成基于位移、角度传感的一类光纤传感器，如光纤液位传 感器、光纤雨量传感器、光纤地表位移计、光纤地下水位/地表沉降仪等一系 列光纤传感器，可以应用于土木工程、工程监测、石油化工、地质灾害监测 等要求高的场合，实现多点网络化的信息采集。
图1光纤位置数字编码器组成示意图。
图2—个信号解调单元带N只光纤位置敏感头的光纤位置数字编码器组 成示意图。
图3光纤位置敏感头的组成示意图。
图4透射式光学结构的光纤位置敏感头结构图，(a)指示光栅在输入光 纤一侧；(b)指示光栅在输出光纤一侧。
图5反射式光学结构的光纤位置敏感头结构图。 图6信号解调单元的组成示意图。
图7编码光栅结构示意图，(a)主光栅，(b)指示光栅。
图8 二相型、增量式线性光纤位置敏感头的光学配置图。
图9主光栅的安装装配图。
图IO光纤位置敏感头的光学配置图。
图中，1:光纤位置敏感头；2:信号解调单元；3:输入光纤；4:输出 光纤；5:数字编码光学光栅；6:主光栅；7:指示光栅；8:微光学系统；9: 位移或转动传动机构；10:输入准直微光学系统；11:输出准直微光学系统； 12:输入/输出准直微光学系统；13:光源；14:光电探测器；15:信号处理 电路；16:输出电路；17:电源；18:主光栅安装机构；19:基座；20:输 出侧准直微光学系统L型固定支座；21:输入侧准直微光学系统L型固定支 座。
具体实施例方式
下面结合附图介绍本发明结构和实施方式以进一步阐明本发明的实质 性特点和显著的进步。 实施方式1
本发明提供的一种光纤位置数字编码器是由光纤位置敏感头和信号解调 单元两个组成部分，两部分相互分离并通过光纤连接，可以实现远距离的检 测。
一个信号解调单元可以连接一只光纤位置敏感头，其组成示意图如图1
所示，图中l为光纤位置敏感头，2为信号解调单元，3为输入光纤，4为输 出光纤，根据不同的设计输入或/和输出的光纤可以为多根，传输距离可以长 达数十千米。为了适应野外或其它恶劣的工作场合，对光纤位置敏感头l进 行密封封装并采用防水结构，对信号解调单元2进行电磁屏蔽并采用防水结 构，输入或/和输出光纤采用铠装光纤或光缆。 一个信号解调单元至少连接1 只光纤位置敏感头，其组成示意图如图2所示，光纤位置敏感头可以多达数 百只。
光纤位置敏感头的结构如图3所示.图中，3为输入光纤；4为输出光纤； 5为数字编码光学光栅，可以是一对光栅(通常具有相同的光栅参数)，特殊 情况下也可以是一个光栅；8为微光学系统，可以采用C-Lens或G-Lens，对 光纤进行光束准直，准直后的光斑直径约数百微米；9为位移或转动传动机 构。光纤位置敏感头部分是无源的，即无需供电电源。光纤位置敏感头在检 测直线位移、旋转角位移时分别配置光栅尺、圆光栅。光栅的每毫米线数、 每圆周线数根据制造工艺和检测精度要求来确定，占空比一般为1:1。
光纤位置敏感头的光学结构分为透射式光学结构(如图4所示)和反射 式光学结构(如图5所示)。
在图4中，6为主光栅，7为指示光栅，10为输入准直微光学系统，11 为输出准直微光学系统，主光栅6在传动机构9的带动下平动或转动。因本 结构中数字编码光学光栅是透射光栅，对光学透过率进行调制，设计时尽量 增大调制度，通常在l: 2以上，采用黑白透射光栅效果最佳。在图4(a)中指 示光栅在输入光纤一侧则指示光栅7是与输入光纤准直微光学系统10粘结在 一起，在图4(b)中指示光栅在输出光纤一侧则指示光栅7是与输出光纤准直 光学系统11粘结在一起，粘结时保持指示光栅平面垂直于准直光束。
在图5中，12为输入/输出准直微光学系统，与3、 4构成双光纤准直器， 其光斑直径为数百微米。6在9带动下平动或转动。数字编码光学光栅的主 光栅6是反射式光栅，对光学反射率进行调制，其调制度设计时尽量增大，
通常在l: 2以上，采用黑白反射光栅效果最佳。图中指示光栅7仍为透射光
栅，与12粘结在一起，粘结时保持指示光栅平面垂直于微光学系统的光轴， 光栅的栅线与双光纤光轴所在平面垂直。
信号解调单元的结构如图6所示，它由光源13，光电探测器14，信号处 理电路15，通信及控制输出电路16以及电源17组成。其中光源通常为波长 为1.55pm或1.3pm的半导体激光器， 一般带有光隔离器，通过光纤输出， 也可以是其它光纤输出的光源。根据需要可以配置光功率反馈电路来稳定光 输出功率。在图6中，光源13还应包括光分路器，将单一激光源分成多路光 纤输出。当N较大，信号的信噪比不能满足检测要求时，可以增加半导体激 光器和光分路器的数量，以使信号的信噪比满足检测要求。选用的光电探测
器可根据使用的波长选择ni-v族的光电探测器阵列或硅光电探测器阵列，要
求灵敏度高、噪声低，使用光纤输入。信号处理电路15包括光电探测器放大 电路、判向电路、计数电路等，根据需要可以包括信号细分电路。通信及控 制输出电路16应根据不同的应用包括显示、数据接口、网络接口、无线发射 等，根据需要配置。根据传感器组网的需要，可以通过多种接入方式将多个 信号解调单元构成传感网络，并能将检测数据传送至网络服务器。电源17 的配置要保证信号解调单元在特殊情况下也不能断电，以保证位移的计数准 确，因此需要配置应急的电池，保证l-7天的正常工作。 实施方式2
以二相型、增量式、单一线性光纤位置敏感头的光纤位置数字编码器为 实例说明本发明的实施。
(1)线性光纤位置敏感头
以透射式光学结构线性光纤位置敏感头为例。主光栅采用在石英玻璃基 片上制作的黑白透射光栅，如图7(a)，不透光的光栅部分为2000埃的金属 铝薄膜，光栅的毫米线密度为250线，即光栅周期为4微米。光栅的占空比 为1:1，即透光、不透光部分的宽度均为2微米。光栅的栅线高度为IO毫米，
光栅的长度为100毫米。指示光栅(如图7 (b)所示)采用与主光栅相同的 光栅周期和占空比，该光栅包括上下排列的两部分光栅，光栅的栅线高度均
为5毫米，两部分光栅相位差为兀/2，即彼此错位四分之一光栅周期(l微米)。
光栅通过微电子的光刻、金属铝腐蚀工艺来实现。将指示光栅与两只输出光
纤准直器的G-Lens微光学透镜用光学透明胶粘结，指示光栅的光栅平面垂直 于准直光束，两只准直器的准直光束分别通过指示光栅的上下两部分，构成 指示光栅—光纤准直器对组合(简称光栅—准直器对组合)，如图8所示。将 主光栅放置于直线形的凹槽中，并用压块固定，保持主光栅滑动摩擦力适中， 构成主光栅滑动机构，如图9所示。将输入光纤准直器对上下排列，光纤准 直器对的微透镜的光轴之间距离与光栅一准直器对组合的两微透镜光轴的间 距相等。输入光纤准直器对组合与主光栅滑动机构的固定部分固定连接，光 栅一准直器对组合亦与主光栅滑动机构的固定部分固定连接。两光栅相互平 行，其栅线也相互平行，两光栅的距离为光栅衍射自成像距离，可以通过调 节来确定。通过光学微调架将光学损耗调节到最低位置，点紫外胶，照射紫 外光实现初步固定，最后用胶进行热固化，完成透射式光学结构线性光纤位 置敏感头的封装，如图IO所示。 (2)信号解调单元
光源采用带光隔离器、单模光纤输出的市售1.55微米波段的半导体激光 器，输出功率1毫瓦左右，并与1X2的光纤耦合器(50:50)熔接，将光信 号分成两路。光探测器为市售的1.55微米波段的半导体光电探测器，光纤位 置敏感头的两个输出光纤分别输入两只光电探测器，光电探测输出的光电流 信号输入信号处理电路进行30-50dB的信号放大。根据两路信号的相位关系 进行方向判断，方向为正，每个脉冲位置计数器加l，否则减l。在计数开始 时，将主光栅与指示光栅的相对位置置于零位，计数器也清零。工作时，计 数器的数即为相对于零位的位移，输出时通过信号处理电路将计数值换算得 到实际位移量，通过本机液晶屏进行显示或通过标准以太网、RS232、 GPRS/CDMA标准通信接口实现与计算机的数据实时传输。
1、一种光纤位置数字编码器，其特征在于所述的编码器包括光纤位置敏感头和信号解调单元两个组成部分，该两个组部分相互分离通过输出和输入光纤连接。
2、 按权利要求1所述的光纤位置数字编码器，其特征在于所述的光纤位置敏感头是无源的，它是由输入光纤、输出光纤、微光学系统、位移或转动的传动机构以及数字编码光学光栅组成；其中数字编码光学光栅一面与位移 或转动的传动机构相连，另一面与微光学系统相连，微光学系统的另一面则 与输入和输出光纤连接；所述的数字编码光学光栅是由相互平行的主光栅、指示光栅构成，所述 的光学光栅为直线光栅或圆光栅；所述的微光学系统采用C-Lens或G-Lens对光纤进行光束准直，准直后 的光斑直径为数百微米。
3、 按权利要求2所述的光纤位置数字编码器，其特征在于所述的数字编 码的光学光栅为透过率调制的透射式光栅或反射率调制的反射式光栅，分别 用于透射或反射光纤检测光路；所述的数字编码的光学光栅为按光栅周期重复的调制图形，调制图形为 细长矩形或扇形。
4、 按权利要求2所述的光纤位置数字编码器，其特征在于主光栅为单码 道或零位码道；指示光栅包含两部分光栅，彼此相差1/4光栅周期，两部分 光栅分别与两路光纤检测光路相对应，为左、右排列或上、下排列。
5、 按权利要求2或4所述的光纤位置数字编码器，其特征在于指示光栅 用光学狭缝取代，则输入光纤在光栅上的光斑尺寸为小于1微米至数千微米。
6、 按权利要求2所述的光纤位置数字编码器，其特征在于所述的信号解 调单元是由光源、光电探测器、信号处理电路、通信及控制输出电路和电源 组成；其中光电探测器的一端与光纤位置敏感头中的输出光纤相连，光电探 测器输出的光电流信号输入信号处理电路进行信号放大，放大后信号进入通 信及控制输出电路，构成传感网络，将检测数据传至网络服务器；所述的光源为半导体光源；通过输出光纤与光纤位置敏感头相连接；
所述光电探测器依使用的波长选銜II-V族的光电探测器、硅光电探测器 或阵列探测器。
7、 按权利要求1所述的光纤位置数字编码器，其特征在于信号调解单元 支持1个或N个光纤位置敏感头，N的取值范围为正整数，以实现网络化信 息采集。
8、 按权利要求1所述的光纤位置数字编码器，其特征在于连接光纤位置 敏感头和信号调解单元光纤为单模光纤或多模光纤；传输距离从小于1米至数千千米，甚至更远。
9、 按权利要求1或8所述的光纤位置数字编码器，其特征在于输入光纤 和输出光纤可以用一根光纤实现。
10、 按权利要求l所述的光纤位置数字编码器的应用，其特征在于利用 直线光栅实现线性位置检测，利用圆光栅实现角位置检测；基于提供的光纤 位置数字编码器构成基于位移、角度光纤传感器，所述的光纤传感器为光纤 液位传感器、光纤雨量传感器、光纤地表位移计、光纤地下水位或地表沉降 的一系列光纤传感器。
本发明涉及一种光纤位置数字编码器及其应用，其特征在于所述光纤位置数字编码器由光纤位置敏感头和信号解调单元组成，二者相互分离并通过光纤连接，可以实现远距离的检测。光纤位置敏感头部分是无源的，安装在一个结构中并与传动机构连接。在被测位移或角度量通过传动机构的作用下，由主光栅和指示光栅构成的编码器将从信号解调单元传输而来的光信号调制成实时相位变化的可计数光脉冲序列并返回到信号解调单元，由信号解调单元进行鉴相、脉冲计数后计算出光纤位置敏感头的实测位移或角度的数值，最后通过标准通信接口实现数据上传。通过光纤位置数字编码器与传动、转换机构结合可以实现高精度、大范围的位移传感，并进而构成基于位移、角度检测原理的一类光纤传感器。
文档编号G01D5/26GKSQ
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发明者吴亚明, 钟少龙 申请人:吴亚明