本發明屬于光耦合器和光纖傳感器領域，涉及轉鏡式高速相機轉速傳感器光耦合領域，具體提供一種用于轉鏡式高速相機轉速傳感器的光耦合器。

背景技術：

轉鏡式高速相機用于實現高速運動物體或瞬變流逝現象的記錄，使高速過程的發生、發展和運動規律等清晰地展現在人們的面前；它具有較高的空間分辨率和時間分辨本領、運行穩定、操作簡單、與被攝目標準確同步等優勢；因此它在高速攝影儀器中起到了至關重要的作用，被廣泛應用于高壓物理、爆炸力學、實驗室等離子體以及激光光譜學和新型激光光源的研究。為了獲取高精度的條紋攝影相機、分幅攝影相機拍攝頻率和為分析被攝事件發展過程提供空間和時間數據，則需要精確地測量拍攝時轉鏡旋轉一周的時間間隔、掃描速度及其它的相關信息參量。

但是采用傳統的激光器—光纖—高速轉鏡—光纖—探測器結構的測量傳感器，在激光光路的傳輸過程，接收端的光纖不能將發送端傳來的信號激光很好的耦合，導致耦合效率極低。由于轉鏡式高速相機在高速運行時的震動十分劇烈，發送端和接收端的信號光纖也會隨著相機的高速運行發生甩動，而傳感器中所用的信號傳遞光纖為幾十微米，且光纖的接收端面通常較小，這加大了對準光纖的難度，同時也會導致漏光等弊端。另外，轉鏡透平在拆卸過程中,機械安裝定位孔的大小有1～2mm的空間間隙，轉鏡透平不同的安裝定位可引起目標信號激光在轉鏡反射面的反射角度發生偏移。以上的原因都可能導致高速轉鏡在運行時，激光發送端模塊發送的激光經轉鏡反射以后很難耦合進入接收端的光纖中，降低耦合效率，從而導致傳感器測量高速相機轉速、周期和其他相關參量的測量精度出現較大的誤差，造成極嚴重的像漂移現象。正因為較低的信號激光耦合效率，則必須采用大功率的激光器，以使接收端盡可能的探測到信號激光；但大功率的激光器會產生大量的熱量，所以在實際工程應用中應盡量避免使用大功率激光器作為信號激光源。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種高耦合效率的用于轉鏡式高速相機轉速傳感器的光耦合器以及配套使用的轉鏡式高速相機轉速傳感器，用以改善由于高速相機震動、傳輸光纖甩動、傳輸光纖接收端面過窄和轉鏡透平安裝誤差所引起的接收端光纖激光耦合效率過低的問題；使轉速傳感器的發送端可采用功率較低的激光器，同時提高高速轉鏡測量傳感器的周期、轉速和其他相關參量的測量精度。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種用于轉鏡式高速相機轉速傳感器的光耦合器，所述光耦合器由導光錐和光纖熔合而成，其特征在于，所述導光錐呈倒圓臺形、其下底面與光釬熔合、上底面接收信號激光。

進一步的，所述導光錐上底面和下底面的直徑比為2:1至10:1之間。

所述導光錐采用石英材料。

包含上述光耦合器的轉鏡式高速相機轉速傳感器，包括激光發送端模塊、高速轉鏡、光耦合器和光接收端模塊，所述激光發送端模塊發送激光經過高速轉鏡反射后進入光耦合器，光耦合器將接收信號激光送入接收端模塊進行信號處理。

進一步的，所述高速轉鏡包括高速電機和轉鏡，所述轉鏡采用表面鍍鋁和背面漫反射的處理方式。

需要說明的是，所述導光錐呈倒圓臺形，則其上底面指直徑大的底面、下底面指直徑小的底面。所述激光發送端模塊發射激光為固定波長、固定功率，可添加激光電流、功率監測電路保證激光輸出穩定性。

本發明的主要工作原理是運用導光錐的導光特性保證信號激光輸入的可實現性和有效性，以提高信號激光的耦合效率，提高高速轉鏡轉速傳感器的測量精確度。其工作原理如圖1所示，激光發送端作為系統的信號源輸出穩定的連續激光，激光的波長和功率都穩定在一固定的數值范圍內，由發送端的監測電路對發送端的電流和功率進行實時控制；輸出的信號激光在高速的轉鏡面進行反射，由于高速相機轉鏡轉速的不同，反射的信號激光會在接收端的電處理模塊時所表現出的測量數據有所差別；經轉鏡反射的信號激光耦合進入接收端的光纖導光錐。

如圖2所示，由于信號激光經轉鏡反射后進入光纖導光錐，所以信號激光進入導光錐端面時和光錐的主光軸之間存在一定的角度α，且α的角度越大，耦合的效果就越差。由于信號激光由光錐導入光纖，所以激光束的入射角經導光錐到達光纖端面時角度也會發生改變；信號激光在導光錐內部會進行多次全反射后，最終耦合進入光纖內；光纖再將耦合后的信號激光輸送至接收端的電信號處理模塊進行一系列的測量和技術處理。圖2中，m為信號激光在光錐內的反射次數；θ為經過導光錐內表面反射后到達光纖端面信號激光相對于光纖軸線的角度誤差；θ的值可由以下公式計算得出：

θ＝α+(2m-1)σ

其中，σ為導光錐頂角角度的一半。

由于光纖的直徑為微米量級，所以使用傳統的光纖準直器很難保證發送端的信號激光能高效率的耦合進接收端的光纖，從而導致轉鏡式高速相機轉速傳感器不能準確地測量轉鏡的轉速。本發明中光纖導光錐將信號激光較好的耦合進入了接收端的傳輸光纖，所以經轉鏡反射的激光與接收端的光纖即使存在一定的偏差角度，任然能夠高效率的耦合進入接收端的傳輸光纖；本發明中的信號激光任然能夠高效率的耦合進入接收端的傳輸光纖，使接收端能準確地分析高速轉鏡的各項狀態參量。

本發明的有益效果在于：

1)本發明采用新型光纖導光錐結構，將高速轉鏡反射的信號激光高效的耦合進入接收端；克服了由于高速轉鏡震動、傳輸光纖甩動、高速轉鏡透平安裝誤差和傳輸光纖過細、接收端面過窄而導致的接收端光纖信號激光的耦合效率極低的缺點；在很大程度增加了信號激光的耦合效率，從而提高了高速轉鏡轉速傳感器的相關測量精度，減少了高速相機的像漂移。

2)由于增強了接收端信號激光的耦合效率，所以在激光發射端的信號激光器可以采用較低的功率激光器代替，提高了高速相機測量傳感器電路的安全性和穩定性。

附圖說明

圖1為本發明光纖耦合器系統示意圖。

圖2為本發明光纖導光錐光路示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明做進一步詳細說明。

本發明提供一種高耦合效率的用于轉鏡式高速相機轉速傳感器的光耦合器，它可以有效的改善由于高速相機震動、傳輸光纖甩動、傳輸光纖接收端面過窄和轉鏡透平安裝誤差所引起的接收端光纖激光耦合效率過低的問題；提高高速轉鏡測量傳感器的周期、轉速和其他相關參量的測量精度。

本實施例提供一種用于轉鏡式高速相機轉速傳感器的光耦合器，包括激光發送端模塊、高速轉鏡、光纖導光錐結構和接收端模塊；所述激光發送端模塊主要負責發送特定固定波長、固定功率的激光；所述高速轉鏡包括高速電機和轉鏡；所述光纖導光錐結構主要由導光錐和光纖兩部分熔合而成；所述導光錐采用石英材料構成、呈倒圓臺形，用來將信號激光準確導入光纖中；所述接收端用于接收經高速轉鏡反射的信號激光并進行相應的信號處理。其目的是提供一種光耦合效率較高、發射激光功率較低、適應各種高速轉鏡測量環境的高效率光纖耦合器。

參考圖1和圖2，本發明的高速相機光纖耦合器采用GSJ型高速相機；高速轉鏡工作轉速在3萬轉/分至30萬轉/分，其旋轉周期在200微秒至2000微秒之間；激光器采用最大發射功率為200毫瓦，發射波長為808納米的尾纖激光器；光纖跳線采用纖芯直徑為62.5微米；光纖導光錐采用石英材料制作，其上底面和下底面的直徑比為5:1。如表1所示，為發送端入射激光與接收端光纖導光錐主光軸不同夾角情況下信號激光的耦合效率的測試；調整發送端信號激光和光纖導光錐結構主光軸的夾角分別為0°、0.5°、1°、2°、3°、4°、5°，在靜止光纖和甩動光纖的情況下測得信號激光耦合效率的大小。考慮高速轉鏡震動、傳輸光纖甩動、高速相機透平安裝誤差在內所導致的信號激光與接收光纖角度和距離偏差，在光纖耦合器上信號激光垂直光錐接收角度偏差少于5°、光纖耐受彎折的能力范圍內，轉鏡式高速相機高速運行時信號激光的耦合效率達到60％以上。由此提高了高速轉鏡轉速傳感器的相關測量精度，減少了高速相機的像漂移；由于增強了接收端信號激光的耦合效率，所以在激光發射端的信號激光器可以采用較低的功率激光器代替，提高了高速相機測量傳感器電路的安全性和穩定性。

表1

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。