[发明专利]基于光纤耦合的光纤旋转准直器机械轴和光轴夹角的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及光纤旋转准直器机械轴和光轴夹角的测量方法。

背景技术

光纤准直器是近年来发展起来的光纤器件，其作用是对光纤出射的光进行准直，减小光束的发散角，由光纤准直器发射的光束约为0.25度。当光纤传感技术应用在旋转设备上时，由于测试设备不能跟随旋转设备一起旋转，因此需要实现光纤与光纤间的非接触光传输。为了减小非接触光传输损耗，需要使用光纤准直器对光纤出射的光进行准直。将一个光纤准直器固定在旋转设备上，组成光纤旋转准直器。光纤准直器到光纤准直器间的非接触光传输损耗依赖于光纤旋转准直器光轴和机械轴夹角的大小，夹角越大，损耗越大，因此需要将光纤旋转准直器的光轴与机械轴调为同轴。调试光轴与机械轴同轴的方法通常可以使用自准直的方法，此方法需要将可调节平面反射镜固定在旋转设备上，并且需要借助外部光源将平面反射镜与旋转机械轴调垂直，并无法测试光纤旋转准直器机械轴和光轴的夹角。

发明内容

本发明为了解决现有光纤准直器无法测量光纤旋转准直器机械轴和光轴的夹角的问题，提出了基于光纤耦合的光纤旋转准直器机械轴和光轴夹角的测量方法。

本发明所述的基于光纤耦合的光纤旋转准直器机械轴和光轴夹角的测量方法，该方法包括基于光纤耦合的光纤旋转准直器，该光纤旋转准直器包括光功率计1、激光器2、一号光纤3、二号光纤4、光耦合器5、三号光纤6、机械旋转装置7、两组调节螺栓8和光纤准直器9；

所述激光器2的激光信号输出端连接一号光纤3的一端，一号光纤3的另一端连接光耦合器5的激光信号输入端，所述光功率计1的激光信号输入端连接二号光纤4的一端，二号光纤4的另一端连接光耦合器5的一个激光信号输出端，所述光耦合器5的激光信号输入输出端连接三号光纤6的一端，所述机械旋转装置7包括轴承和旋转头7-3，所述轴承包括固定部7-1和活动部7-2，所述旋转头7-3为圆筒形，该旋转头7-3位于轴承沿轴向的一侧，且该旋转头7-3与轴承同轴设置，该旋转头7-3的一端与轴承的活动部7-2固定连接，所述旋转头7-3的筒壁上设置2组调节螺栓，每组调节螺栓8包含四根调节螺栓，该四根调节螺栓的轴线位于同一平面且相交于轴承的轴线，任意两个相邻的调节螺栓的轴线夹角为90度，每根调节螺栓的螺杆长度均等于旋转头的半径，所述光纤准直器9嵌入在旋转头内，且通过两组调节螺栓8固定，光纤准直器9与旋转头同轴，三号光纤6的另一端穿过轴承和旋转头7-3与光纤准直器9的一端连接；

基于光纤耦合的光纤旋转准直器的机械轴和光轴的夹角的测量方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、在光纤准直器的激光出射方向，距离光纤准直器L处设置一个平面反射镜，其中，1mm≤L≤5mm，开启激光器2，旋转旋转头7-3直至·检测光功率计接收到该光信号；

步骤二、调节平面反射镜的方位角和俯仰角直到光功率计接收到的激光信号的功率最大，此时光纤准直器9的光轴与平面反射镜垂直，记录光功率的最大值P_max，并记录此时平面反射镜的方位角α1与俯仰角β1；

步骤三、单独调节平面反射镜的方位角或俯仰角N次，每次调节后的方位角或俯仰角即为光纤准直器的光轴与平面反射镜法线的夹角Φ，调节步长为1-2μrad，N为大于或等于100的正整数，利用功率计1测量每次调节平面反射镜对应的光功率P_i；计算出P_i/P_max的值，根据所测数据结合数值插值的方法绘制光功率计1接收的光功率与光功率最大值的比值P_i/P_max随光纤准直器光轴与平面反射镜法线夹角的变化曲线；

步骤四、将旋转头7-3旋转180度，调节平面反射镜的方位角和俯仰角直至光功率计1接收到的激光信号的功率最大，此时光纤准直器9的光轴与平面反射镜再次垂直；记录平面反射镜调节的方位角α2与俯仰角β2；

步骤五、在步骤四获得的平面镜方位角的基础上，调节平面反射镜的方位角为(α1-α2)/2，在步骤四获得的平面镜俯仰角的基础上，调节平面反射镜的俯仰角为(β1-β2)/2，此时光纤准直器的机械轴和平面反射镜垂直；此时光纤准直器的光轴与机械轴的夹角与光纤准直器光轴与平面反射镜法线的夹角相等，记录此时光功率计1测得的光功率P；