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申请/专利权人：中国计量大学

摘要：本发明公开了一种基于白光干涉的接触式温度不敏感天平，由宽带光源，环形器，导管，参考FBG，掺铒光纤放大器，隔离器，光电探测器，耦合器，扫描棱镜，自聚焦透镜，带有反射镜的天平。当被测物体放置在天平两端时，由宽带光源发出的光，通过环形器，光束经扫描棱镜后从天平反射镜反射回的光经过耦合器，通过光探测器输出。以白光干涉为基础，利用温度补偿系统对用天平测得的物理量进行精确测量，排除了温度及电磁干扰对测量的影响，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。

主权项：1.一种基于白光干涉的接触式温度不敏感天平，由宽带光源1，环形器2，导管3，参考FBG4，掺铒光纤放大器5，隔离器6，光电探测器7，耦合器8，扫描棱镜9，自聚焦透镜10，带有反射镜的天平11，FBG14，光纤15，无芯光纤16和GRIN光纤镜头17组成；其特征在于：宽带光源1通过光纤连接到环形器2第一端口，环形器2第二端口的参考FBG4安装在导管3上，环形器2第三端口接掺铒光纤放大器5，再通过隔离器6后从输入端进入耦合器8，经过耦合器8的两束光，其中一束光再通过扫描棱镜9和由无芯光纤16与GRIN光纤镜头17组成的自聚焦透镜10系统后连接到带反射镜的天平第一端12，另一束光直接经光纤连接带有反射镜的天平第二端13，反射后的两束光经耦合器后连接到光电探测器7；调节扫描棱镜9观察干涉条纹，进行带有反射镜的天平11初始化调节，环形器2、导管3、参考FBG4、掺铒光纤放大器5、隔离器6构成温度补偿系统，连接带反射镜的天平第一端12的光纤15空间位置距离参考FBG4小于30cm，当温度变化时，由于光纤15与参考FBG4空间距离很近，所处环境相同，光纤15中的FBG14与参考FBG4将产生相同的温度漂移，当放置被测物体后光纤15的末端接触到天平侧壁后会产生挠曲变形，引起光纤15中FBG14反射中心波长的偏移，而参考FBG4的反射中心波长不变，即此时光电探测器7接收的返回光波峰峰值降低，实现温度无感的测量，连接带反射镜的天平第一端12的光纤15与温度补偿系统的参考FBG4相互平行；传输光纤与传感装置相连，传感装置采用扫描迈克尔逊低相干光反射仪OLCR来实现信号的解调，OLCR的光程差通过扫描棱镜-自聚焦透镜系统进行调节，当OLCR和传感装置的光程差相同时，在探测端得到白光干涉条纹，系统满足光程匹配条件：Xj+nL0＝ΔX1式中，nL0为该光路系统固有光程差，Xj为OLCR中扫描棱镜-自聚焦透镜间的光程，该值随着扫描棱镜的移动而改变，ΔX是传感装置中由待测物理量引起的光程变化；当把OLCR中扫描棱镜-自聚焦透镜距离调节至探测端得到白光干涉中央主极大条纹时，系统初始化完成；当待测物理量作用于传感装置，ΔX随之发生相应的变化，OLCR中扫描棱镜-自聚焦透镜间光程的变化量ΔXj与传感装置中的光程差ΔX相关，且满足关系：ΔXj＝ΔX当向天平上放置被测物时，由得到光电探测器输出波形，通过简单计算可求出物理量。

全文数据：一种基于白光干涉的接触式温度不敏感天平技术领域本发明属于精密仪器制造及测量技术领域，具体涉及一种基于光纤迈克尔逊白光干涉的接触式温度不敏感天平。背景技术光纤白光干涉有绝对的测量特点，采用的是非相干的宽带光源，虽然相干长度非常短，但它的优点是有一个明显的零级干涉条纹，通过光程调制的方式来判断天平是否平衡。由于目前市面上机械天平及电子天平存在精度低、抗电磁干扰能力弱的问题，利用白光干涉来提高天平高精度测控方法。由于环境温度变化对测量结果有较大的影响，所以通过温度补偿系统消除，大大提高测量的精准度。光电探测器是能将光信号转化为电信号的的光电器件,它的工作原理是基于光电效应,利用这个特性可以进行显示及控制的功能,光电探测器可以用来代替人眼,且具有光谱响应范围宽,灵敏度高,稳定性好的特点,已经被广泛应用。由于光纤布拉格光栅具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能被用于光纤传感测量。发明内容针对现有技术的不足，本发明的目的在于以光纤迈克尔逊干涉为主要结构，以白光干涉为基础，利用温度补偿系统设计一个天平。本发明通过以下技术方案实现：一种基于白光干涉的接触式温度不敏感天平，由宽带光源1，环形器2，导管3，参考FBG4，掺铒光纤放大器5，隔离器6，光电探测器7，耦合器8，扫描棱镜9，自聚焦透镜10，带有反射镜的天平11，FBG14，光纤15，无芯光纤16和GRIN光纤镜头17组成；其特征在于：宽带光源1通过光纤连接到环形器2第一端口，环形器2第二端口的参考FBG4安装在导管3上，环形器2第三端口接掺铒光纤放大器5，再通过隔离器6后从输入端进入耦合器8，经过耦合器8的两束光，其中一束光再通过扫描棱镜9和由无芯光纤16与GRIN光纤镜头17组成的自聚焦透镜10系统后连接到带反射镜的天平第一端12，另一束光直接经光纤连接带有反射镜的天平第二端13，反射后的两束光经耦合器后连接到光电探测器7；调节扫描棱镜9观察干涉条纹，进行带有反射镜的天平11初始化调节，环形器2、导管3、参考FBG4、掺铒光纤放大器5、隔离器6构成温度补偿系统，连接带反射镜的天平第一端12的光纤15空间位置距离参考FBG4小于30cm，当温度变化时，由于光纤15与参考FBG4空间距离很近，所处环境相同，光纤15中的FBG14与参考FBG4将产生相同的温度漂移，当放置被测物体后光纤15的末端接触到天平侧壁后会产生挠曲变形，引起光纤15中FBG14反射中心波长的偏移，而参考FBG4的反射中心波长不变，即此时光电探测器7接收的返回光波峰峰值降低，实现温度无感的测量。所述的连接天平第一端12的光纤需与温度补偿系统的参考FBG4呈相互平行或者相互放置。本发明的工作原理是：基于光纤迈克尔干涉结构的白光干涉的干涉特性，传输光纤与传感装置相连，传感装置采用光源为LED的扫描迈克尔逊低相干光反射仪OLCR来实现信号的解调。OLCR的光程差可以通过扫描棱镜-自聚焦透镜系统进行调节，当调节扫描棱镜到某一位置时，OLCR和传感装置的光程差相同，则在探测端得到白光干涉条纹。该系统满足光程匹配条件：Xj+nL0＝ΔX1式中，nL0为该光路系统固有光程差，Xj为OLCR中扫描棱镜-自聚焦透镜间的光程，该值随着扫描棱镜的移动而改变，ΔX是传感装置中由待测物理量引起的光程变化。当把OLCR中扫描棱镜-自聚焦透镜距离调节至探测端得到白光干涉中央主极大条纹时，系统初始化完成；当待测物理量作用于传感装置，ΔX随之发生相应的变化，此时需改变Xj的值以满足式1的光程匹配条件。因此，OLCR中扫描棱镜-自聚焦透镜间光程的变化量ΔXj与传感装置中的光程差ΔX相关，且满足关系：ΔXj＝ΔX所以当向天平上放置被测物时，由得到光电探测器输出波形，通过简单计算可求出物理量。由白光干涉的特点和温度补偿系统可解决一般机械天平及电子天平所存在的精度低、受温度影响、抗电磁干扰能力差和性能不稳定等问题。本发明的有益效果是：本发明的设计中以光纤迈克尔逊干涉为主要结构，以白光干涉为基础，利用温度补偿系统对用天平测得的物理量进行精确测量。排除了温度及电磁干扰对测量的影响，能实现快速多次测量，且测量精确度较高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。附图说明图1是一种基于白光干涉的接触式温度不敏感天平示意图。图2是自聚焦透镜结构示意图。具体实施方式如图1所示，一种基于白光干涉的接触式温度不敏感天平，由宽带光源1，环形器2，导管3，参考FBG4，掺铒光纤放大器5，隔离器6，光电探测器7，耦合器8，扫描棱镜9，自聚焦透镜10，带有反射镜的天平11，FBG14，光纤15，无芯光纤16和GRIN光纤镜头17组成；其特征在于：宽带光源1通过光纤连接到环形器2第一端口，环形器2第二端口的参考FBG4安装在导管3上，环形器2第三端口接掺铒光纤放大器5，再通过隔离器6后从输入端进入耦合器8，经过耦合器8的两束光，其中一束光再通过扫描棱镜9和由无芯光纤16与GRIN光纤镜头17组成的自聚焦透镜10系统后连接到带反射镜的天平第一端12，另一束光直接经光纤连接带有反射镜的天平第二端13，反射后的两束光经耦合器后连接到光电探测器7；调节扫描棱镜9观察干涉条纹，进行带有反射镜的天平11初始化调节，环形器2、导管3、参考FBG4、掺铒光纤放大器5、隔离器6构成温度补偿系统，连接带反射镜的天平第一端12的光纤15空间位置距离参考FBG4小于30cm，当温度变化时，由于光纤15与参考FBG4空间距离很近，所处环境相同，光纤15中的FBG14与参考FBG4将产生相同的温度漂移，当放置被测物体后光纤15的末端接触到天平侧壁后会产生挠曲变形，引起光纤15中FBG14反射中心波长的偏移，而参考FBG4的反射中心波长不变，即此时光电探测器7接收的返回光波峰峰值降低，实现温度无感的测量。

权利要求：1.一种基于白光干涉的接触式温度不敏感天平，由宽带光源（1），环形器（2），导管（3），参考FBG（4），掺铒光纤放大器5，隔离器6，光电探测器（7），耦合器（8），扫描棱镜（9），自聚焦透镜（10），带有反射镜的天平（11），FBG（14），光纤（15），无芯光纤（16）和GRIN光纤镜头（17）组成；其特征在于：宽带光源（1）通过光纤连接到环形器（2）第一端口，环形器（2）第二端口的参考FBG（4）安装在导管（3）上，环形器（2）第三端口接掺铒光纤放大器（5），再通过隔离器（6）后从输入端进入耦合器8，经过耦合器8的两束光，其中一束光再通过扫描棱镜9和由无芯光纤（16）与GRIN光纤镜头（17）组成的自聚焦透镜10系统后连接到带反射镜的天平第一端12，另一束光直接经光纤连接带有反射镜的天平第二端13，反射后的两束光经耦合器后连接到光电探测器（7）；调节扫描棱镜9观察干涉条纹，进行带有反射镜的天平（11）初始化调节，环形器2、导管3、参考FBG4、掺铒光纤放大器5、隔离器6构成温度补偿系统，连接带反射镜的天平第一端（12）的光纤（15）空间位置距离参考FBG（4）小于30cm，当温度变化时，由于光纤（15）与参考FBG（4）空间距离很近，所处环境相同，光纤（15）中的FBG（14）与参考FBG（4）将产生相同的温度漂移，当放置被测物体后光纤（15）的末端接触到天平侧壁后会产生挠曲变形，引起光纤（15）中FBG（14）反射中心波长的偏移，而参考FBG（4）的反射中心波长不变，即此时光电探测器（7）接收的返回光波峰峰值降低，实现温度无感的测量，连接带反射镜的天平第一端（12）的光纤（15）与温度补偿系统的参考FBG（4）相互平行。

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