变栅距光栅位移传感结构研究与误差分析

乔 飞，张 雯，何 巍，宋言明，孟凡勇

(北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室、光纤传感与系统北京实验室，北京 100192)

0 引 言

传统电磁位移传感的测试范围为纳米级至厘米级，测试精度可达纳米级别。但在某些特殊的环境下，由于传统电磁传感器的抗干扰能力差，易受外界环境干扰，抗干扰能力强的光纤位移传感器[1-4]成为了传感领域的研究热点之一。西方国家对变栅距光栅的研究起步较早，针对可以取代现有电磁式传感器的光学传感器进行了大量研究，提出了一种重复性好、线性度高和温度稳定性好的变栅距光栅位移传感器[5-8]。

目前，国内外针对变栅距光栅位移传感器开展了相关研究。2014年，西安飞行自动控制研究所的张兵等[9]提出一种新型传感器测试系统，最大测试误差为0.105 07 mm，响应频率>600 Hz；2015年，中国科学院的姜岩秀等[10-13]制作了平面变栅距光栅，在有效刻线面积内的误差<0.175 gr/mm；2017年，新加坡南洋理工大学的Maheshwari M等[14]制作了基于变栅距光栅的应变传感器，该传感器的应变分辨率约为1%；2018年，美国密歇根州立大学的Zhu Y等[15]制作了基于变栅距光栅的应变传感器，该传感器的应变分辨率为3.3%。

本文提出并设计了一种基于变栅距光栅的位移传感器，将变栅距光栅作为核心元件装配在光纤位移传感器上，并对该传感器进行了位移传感测试，分析了传感系统的系统误差，为变栅距光栅传感系统的选择提供了依据。

1 实验原理

本文提出并设计的变栅距光栅位移传感器原理如图1所示，图中，D0为起始栅距；X为沿光栅长度的位置；Dn为沿光栅长度位置X处的栅距；n为栅距序号；G为光栅栅距沿位移正方向的变化斜率；θ为入射角。根据球面波曝光系统下平面……