一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置的制作方法

1.本发明属于压电及光通信领域，尤其是涉及一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置。


背景技术：

2.在全光纤傅里叶变换光谱仪中，采用光纤代替传统光路，耦合器代替分束镜，光纤拉伸装置代替反射镜移动，从而实现相位调制。相较于用电机作为驱动源，压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，它频率稳定性好，精度高。
3.通过改变施加在压电陶瓷上的电压可以调整光纤的拉伸长度，改变光程差，从而导致光纤内传播的光相位发生变化，改变了光通过光纤拉伸器所产生的相移量，即可以实现频谱的相位控制。而现有的光纤拉伸设备，光纤粘接到压电陶瓷表面或者陶瓷两端的终端上，当陶瓷产生位移，光纤被拉伸，但输出位移较小，若想增大拉伸量，通常串联n个陶瓷，而压电陶瓷串联势必造成刚度降低，谐频低，响应速度慢等问题，同时还会增大整体尺寸，因此有必要设计一种全新的基于压电陶瓷的光纤拉伸装置来解决上述问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，本技术的整个机构结构紧凑，刚度大，精度高，无摩擦，无回差；本技术的结构可以广泛应用于光纤拉伸，光纤传感器，光纤光强及光波长调节等场合。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，包括拉伸器主体、柔性铰链结构、叠堆压电陶瓷、预紧预留孔和顶丝，所述的拉伸器主体呈圆饼型，拉伸器主体的上下端面的截面尺寸相同，拉伸器主体的上下端面的截面尺寸大于拉伸器主体中部的截面尺寸，拉伸器主体的上、下端面及拉伸器主体的外圆周形成用于缠绕光纤的凹槽，在拉伸器主体上沿圆周方向均匀开设三个贯通切割缝，每个所述贯通缝均自外环向拉伸器主体内部开设，在拉伸器主体上沿圆周方向均布开设有三个容纳槽，三个容纳槽均贯穿拉伸器主体的上下端面，
7.在容纳槽与相邻近的贯通切割缝之间的拉伸器主体部分开设贯通槽形成柔性铰链结构，所示柔性铰链结构为等厚度平板结构，所述柔性铰链结构共六个，在光纤拉伸器主体的正中心处开设有固定连接孔；
8.在每个容纳槽内布置一个叠堆压电陶瓷，在每个容纳槽的远离光纤拉伸器主体中心一侧的槽面上开设有一个预紧预留孔，每个容纳槽的靠近光纤拉伸器主体中心一侧的槽面为主体内部接触面，每个叠堆压电陶瓷的内端顶在主体内部接触面上，外端顶在穿过对应的预紧预留孔的顶丝上。
9.进一步的，当叠堆压电陶瓷通电致动时，柔性铰链结构向外部扩张，用于缠绕光纤
的凹槽的外径膨胀，拉伸缠绕于凹槽内的光纤。
10.进一步的，所述容纳槽的截面为t字型截面，且容纳槽的中轴线穿过拉伸器主体的圆心，所述容纳槽包括相互连通的弧形槽和矩形槽，三个弧形槽的弧形面布置在同一个圆环面上，在弧形槽的弧形面上开设预紧预留孔。
11.进一步的，所述贯通切割缝包括径向切割缝、周向切割缝和铰链切割缝，所述周向切割缝的中心与径向切割缝的内端连通，周向切割缝的两端分别与一个铰链切割缝的外端连通，所述铰链切割缝垂直相对应的容纳槽的矩形槽布置；贯通槽的位于外侧的槽面为弧形面，与弧形面对应的位于内侧的槽面为直面，每个铰链切割缝的内端与相邻的贯通槽的内侧的直面槽面平齐设置。
12.进一步的，所述顶丝为球窝顶丝，每个叠堆压电陶瓷的外端顶在一个垫片上，在垫片与球窝顶丝之间设有钢球。
13.进一步的，所述固定连接孔为螺纹孔。
14.相对于现有技术，本发明所述的一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置具有以下优势：
15.1、压电陶瓷稳定性好，精度高，解决了传统的驱动存在的分辨率低、调节精度低等问题；2、采用一体化加工成型，避免了装配引入的误差；3、整个机构运动方向刚度大，且能承受一定的侧向力；4、本技术的光纤拉伸器频率更高、响应更快。
附图说明
16.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
17.图1为本发明实施例所述的一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置的整体结构示意图；
18.图2为本发明实施例所述的一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置的主视图；
19.图3为图2的a-a向剖视图。
20.附图标记说明：
21.1、拉伸器主体；2、柔性铰链结构；3、固定连接孔；4、叠堆压电陶瓷；5、垫片；6、钢球；7、主体内部接触面；8、预紧预留孔；9、球窝顶丝；10、凹槽；11、容纳槽；12、贯通槽；13、径向切割缝；14、周向切割缝；15、铰链切割缝。
具体实施方式
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
23.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
24.如图1-图3所示，一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，包括拉伸器主体1、柔性铰链结构2、叠堆压电陶瓷4、预紧预留孔8和顶丝，所述的拉伸器主体1呈圆饼型，拉伸器主体1的上下端面的截面尺寸相同，拉伸器主体1的上下端面的截面尺寸大于拉伸器主体中部的截面尺寸，拉伸器主体1的上、下端面及拉伸器主体1的外圆周形成用于缠绕光纤
的凹槽10，在拉伸器主体1上沿圆周方向均匀开设三个贯通切割缝，每个所述贯通缝均自外环向拉伸器主体内部开设，在拉伸器主体1上沿圆周方向均布开设有三个容纳槽11，三个容纳槽11均贯穿拉伸器主体的上下端面，
25.在容纳槽11与相邻近的贯通切割缝之间的拉伸器主体部分开设贯通槽12形成柔性铰链结构2，所示柔性铰链结构2为等厚度平板结构，所述柔性铰链结构2共六个，所述柔性铰链结构2是在光纤拉伸器主体1上一体化加工而成，在光纤拉伸器主体1的正中心处开设有固定连接孔3；
26.在每个容纳槽11内布置一个叠堆压电陶瓷4，在每个容纳槽11的远离光纤拉伸器主体1中心一侧的槽面上开设有一个预紧预留孔8，每个容纳槽11的靠近光纤拉伸器主体1中心一侧的槽面为主体内部接触面7，每个叠堆压电陶瓷4的内端顶在主体内部接触面7上，外端顶在穿过对应的预紧预留孔8的顶丝上。
27.当叠堆压电陶瓷4通电致动时，柔性铰链结构2向外部扩张，用于缠绕光纤的凹槽10的外径膨胀，拉伸缠绕于凹槽10内的光纤。
28.所述容纳槽11的截面为t字型截面，且容纳槽11的中轴线穿过拉伸器主体1的圆心，所述容纳槽11包括相互连通的弧形槽和矩形槽，三个弧形槽的弧形面布置在同一个圆环面上，在弧形槽的弧形面上开设预紧预留孔8。
29.所述贯通切割缝包括径向切割缝13、周向切割缝14和铰链切割缝15，所述周向切割缝14的中心与径向切割缝13的内端连通，周向切割缝14的两端分别与一个铰链切割缝15的外端连通，所述铰链切割缝15垂直相对应的容纳槽的矩形槽布置；贯通槽12的位于外侧的槽面为弧形面，与弧形面对应的位于内侧的槽面为直面，每个铰链切割缝15的内端与相邻的贯通槽的内侧的直面槽面平齐设置。
30.顶丝为球窝顶丝9，每个叠堆压电陶瓷4的外端顶在一个垫片5上，在垫片5与球窝顶丝9之间设有钢球6。所述钢球6嵌于球窝顶丝9中，两者配合在一起穿过预紧预留孔8，钢球6与垫片5是点接触，通过旋动球窝顶丝9对叠堆压电陶瓷4进行预紧。
31.所述叠堆压电陶瓷4作为驱动原件，一侧与垫片5面接触，另一侧与主体内部接触面7面接触；压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料，具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，它频率稳定性好，精度高；本技术选用的是低压叠堆共烧压电陶瓷，该压电陶瓷可以承受很大的压力，刚度大，绝缘在侧边，陶瓷整个截面积均可致动，出力大，性能完好展现。不存在局部电场变形，不易出现点应力；低压叠堆共烧工艺压电陶瓷具有优异的性能及超长使用寿命，特殊的绝缘材料确保在严苛的条件下动态性能最大输出。
32.固定连接孔3为螺纹孔，在整个拉伸器工作时固定机构用。容纳槽11的截面为t字型，为叠堆压电陶瓷提供足够的安装空间和运动空间且具有一定减重的效果。
33.本技术采用叠堆压电陶瓷作为驱动原件，通过120度平分放置的三支压电陶瓷叠堆的致动作用，由于逆压电效应产生形变位移，引起铰链结构向外部扩张，使得外径膨胀，从而拉伸缠绕于凹槽内的光纤。
34.工作原理如下：
35.光程差每变化一个波长λ，相位差变化2π，光程差为δ，相位差为光程差每变化一个波长λ，相位差变化2π，光程差为δ，相位差为
36.而光程差和光纤拉伸长度有定量关系，
37.δ＝n(1-n2p/2)δl
38.其中：
39.n：光纤折射率
40.δl：光纤长度变化量
41.p：光纤的光弹系数
42.由于压电陶瓷的逆压电效应，导致整个拉伸器机构外径周长发生变化，进而使缠绕于拉伸器外径凹槽内的光纤的长度发生变化，最终改变在该段光纤内传播的光波的相位变化量。
43.根据陶瓷的逆压电效应：在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，叠堆压电陶瓷形变位移
△
l0有如下关系式：
44.△
l0＝d
33 n
0 u
45.其中：
46.d
33
：应变系数(m/v)
47.n0：压电陶瓷片个数
48.u：驱动电压(v)
49.叠堆压电陶瓷由于逆压电效应产生形变位移，进而引起铰链结构向外部扩张，使得外径膨胀，从而拉伸缠绕于外径凹槽内的光纤，光纤长度变化量δl与叠堆压电陶瓷形变位移
△
l0有一定的数量关系，具体的定量关系与拉伸器的各种结构参数有关，在此不再具体论述。
50.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，其特征在于：包括拉伸器主体(1)、柔性铰链结构(2)、叠堆压电陶瓷(4)、预紧预留孔(8)和顶丝，所述的拉伸器主体(1)呈圆饼型，拉伸器主体(1)的上下端面的截面尺寸相同，拉伸器主体(1)的上下端面的截面尺寸大于拉伸器主体中部的截面尺寸，拉伸器主体(1)的上、下端面及拉伸器主体(1)的外圆周形成用于缠绕光纤的凹槽(10)，在拉伸器主体(1)上沿圆周方向均匀开设三个贯通切割缝，每个所述贯通缝均自外环向拉伸器主体内部开设，在拉伸器主体(1)上沿圆周方向均布开设有三个容纳槽(11)，三个容纳槽(11)均贯穿拉伸器主体的上下端面；在容纳槽(11)与相邻近的贯通切割缝之间的拉伸器主体部分开设贯通槽(12)形成柔性铰链结构(2)，所示柔性铰链结构(2)为等厚度平板结构，所述柔性铰链结构(2)共六个，在光纤拉伸器主体(1)正中心处开设有固定连接孔(3)；在每个容纳槽(11)内布置一个叠堆压电陶瓷(4)，在每个容纳槽(11)的远离光纤拉伸器主体(1)中心一侧的槽面上开设有一个预紧预留孔(8)，每个容纳槽(11)的靠近光纤拉伸器主体(1)中心一侧的槽面为主体内部接触面(7)，每个叠堆压电陶瓷(4)的内端顶在主体内部接触面(7)上，外端顶在穿过对应的预紧预留孔(8)的顶丝上。2.根据权利要求1所述的一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，其特征在于：当叠堆压电陶瓷(4)通电致动时，柔性铰链结构(2)向外部扩张，用于缠绕光纤的凹槽(10)的外径膨胀，拉伸缠绕于凹槽(10)内的光纤。3.根据权利要求1所述的一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，其特征在于：所述容纳槽(11)的截面为t字型截面，且容纳槽(11)的中轴线穿过拉伸器主体(1)的圆心，所述容纳槽(11)包括相互连通的弧形槽和矩形槽，三个弧形槽的弧形面布置在同一个圆环面上，在弧形槽的弧形面上开设预紧预留孔(8)。4.根据权利要求3所述的一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，其特征在于：所述贯通切割缝包括径向切割缝(13)、周向切割缝(14)和铰链切割缝(15)，所述周向切割缝(14)的中心与径向切割缝(13)的内端连通，周向切割缝(14)的两端分别与一个铰链切割缝(15)的外端连通，所述铰链切割缝(15)垂直相对应的容纳槽的矩形槽布置；贯通槽(12)的位于外侧的槽面为弧形面，与弧形面对应的位于内侧的槽面为直面，每个铰链切割缝(15)的内端与相邻的贯通槽的内侧的直面槽面平齐设置。5.根据权利要求1所述的一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，其特征在于：所述顶丝为球窝顶丝(9)，每个叠堆压电陶瓷(4)的外端顶在一个垫片(5)上，在垫片(5)与球窝顶丝(9)之间设有钢球(6)。6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，其特征在于：所述固定连接孔(3)为螺纹孔。

技术总结
本发明提供了一种可高精密调节大刚度并联式光纤拉伸装置，包括光纤拉伸器主体、柔性铰链结构、叠堆压电陶瓷、预紧预留孔和顶丝，拉伸器主体的上、下端面及拉伸器主体的外圆周形成用于缠绕光纤的凹槽，在光纤拉伸器主体上沿圆周方向均布开设有三组柔性铰链结构和三个容纳槽，三组柔性铰链结构和三个容纳槽交叉布置，柔性铰链结构贯穿拉伸器主体的上下端面，在每个容纳槽内布置一叠堆压电陶瓷，在每个容纳槽的远离光纤拉伸器主体中心一侧的槽面上开设有一个预紧预留孔，每个容纳槽的靠近光纤拉伸器主体中心一侧的槽面为主体内部接触面，每个叠堆压电陶瓷内端顶在主体内部接触面，外端顶在顶丝上。本发明结构紧凑，刚度大，精度高，无摩擦，无回差。无回差。无回差。


技术研发人员：陈峰 郑立双
受保护的技术使用者：哈尔滨芯明天科技有限公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2023/7/13