[发明专利]全光纤干涉型转镜转速传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，它特别涉及全光纤干涉型转镜转速传感器。

背景技术

转镜式高速摄影机有纳秒级的时间分辨本领，良好的空间分辨率，还有与被摄目标可以准确同步、使用可靠、操作简单等其他优点。因此它在高速摄影仪器中占据重要的地位，被广泛应用于爆炸力学、高压物理、实验室等离子体、火花放电、新型激光光源和激光光谱学等领域的研究(见谭显祥，光学高速摄影侧试技术，第一版，科学出版社，1990年)。实验测试工作中，转镜相机主要用于测量被摄事件各部分间的微小时间差异或几个独立事件之间的时间间隔。相机像面上的扫描速度是时间测量的基准。转镜式高速相机同步与速度传感器组件是转镜式高速相机的关键部件，其任务是完成转镜旋转速度和所处位置的信号传感，使转镜式高速相机的控制系统能在此基础上发出控制指令，使转镜式高速相机完成拍摄任务(满光明，叶玉堂等.高速转镜相机转速测量的同步传感系统.强激光与粒子束，2006，Vol.18，No.1：11-14)。

相机基本结构如图1所示。被摄目标经透镜组、夹缝和转镜后成像在胶片面上。转镜转动过程中，被摄目标随时间的变化现象以二维图像的形式在胶片上表现出来。由于转镜式高速摄影机中采用的反射镜都有一定的厚度，随着转镜的旋转，反射后的像在胶片面上表现为非匀速运动，像的轨迹是一条Pascal蜗线，扫描速度方程为v＝2Lω(1+a/Lcos(θ))(1)其中L为相机的结构常量，a为转镜厚度的1/2，θ为入射主光轴与镜面法线之间的夹角。v为转镜的角速度。

现代科学实验对时间信息的测量提出了极为严格的要求，对于高速转镜相机而言，其像面上的扫描速度是时间测量的基准，为准确地分析相关物理现象，不仅需要精确地测量转镜的转速，还要准确地测定转镜旋转一周内的扫描速度。目前常常通过测量相机转镜角速度ω的方法，再由公式(1)间接得到像面上的扫描线速度v。此外，相机还需要一个精确的同步信号，以提高相机控制系统的精确度。同步信号可以采用速度传感中的一路信号，容易实现。

采用传统的相机传感器，如转镜角速度光电传感器、转镜角速度磁场传感器，在测量精度及机械稳定性上都不理想。转轴角速度光电传感器如图2所示。该光电传感器实现方法是在转镜转轴上打孔，转轴一端固定激光器，另一端固定光探测器。转镜每转动半周，孔的轴心方向和激光束方向平行，探测器便会输出一个脉冲信号，该脉冲经过放大、整形后，求出相邻两脉冲的时间间隔ΔT，从而转镜角速度ω＝π/ΔT。这种方法在实际应用中，如果孔太小，则转镜的抖动会造成探测器接收不到光脉冲；如扩大孔径，脉冲上升沿的漂移就会变得严重。同时如果该方法所使用的探测器光敏面较小，转镜的抖动可能会造成探测器接收不到光信号，所以要采用光敏面较大的探测器，这又会降低探测器的光响应速率，因而传感精度较低。此外，激光器和探测器都需要安装在靠近转轴的地方，转镜需要润滑油，高速转动过程中，光路很容易受到污染，造成系统工作不稳定。

转镜磁场传感器的实现方法是在转镜转轴上打孔，孔内固定一个良磁体，在转轴附近安装有感应线圈。转镜在转动过程中，磁体跟随转轴旋转，转镜每转过一周，感应线圈内便会产生一个交变电流信号。同样，转镜角速度通过ω＝2π/ΔT求得。这种方法有很多弊端，因为转镜需要通过特种高速电机来驱动，因而在应用中该传感系统会给电机磁场带来干扰，同时传感器本身会受到外界的电磁干扰，导致测试结果误差较大；另外，通过磁场感应所获得的信号，其上升沿变化缓慢，“信号已到”的判别，误差就会较大；再者，转镜转轴本身直径比较小，安装该传感系统后将会降低转镜的机械稳定度。该系统难以满足现代科技对目标瞬变现象时间精度的严格要求。由于种种原因，高速旋转状态下的转镜，其速度不可避免地产生一定的波动，采用上述两种方法，至少也是在转镜旋转半周后传感器才会获得一个信号，即只能得转镜的转速，而不能测量转镜旋转一周内的扫描速度，且转速测量的不确定度只有千分之三，得到的测量结果不能满足现代科学分析对时间精度的需求。此外，在转镜相机中，为了机械加工的方便，胶片面采用与蜗线密合的圆周线代替蜗线，这意味着式(1)中的v仅是胶片面上扫描线速度的一个近似值，所以测量结果存较大的偏差。为了克服传统的相机传感器测量结果精度低等缺陷，中国发明专利(02133995.3，一种测量扫描式转镜高速摄影机瞬时扫描速度的方法)将激光成像在胶片边缘，然后手工测量像点之间距离，费时费工，精度有一定程度的提高。

发明内容