CN108020170A - 一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构 - Google Patents

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杨瑞峰
郭晨霞
盖婷
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Abstract

本发明提供了一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构，包括发送光纤，两层接收光纤组；其特点是发送光纤与每一层接收光纤组的接收光纤相互之间以相同距离排列，并非在同一平面内；发送光纤的端面与第一层接收光纤组的端面形成错位量，发送光纤与第一层接收光纤组构成参考光路；所述第一层接收光纤组的端面与第二层接收光纤组在端面形成错位量，发送光纤与第二层接收光纤组构成测量光路；发送光纤将光源传输到被测表面，经反射后由两层接收光纤组接收，并传输到光电探测器转换为电信号输出。本发明光纤传感器补偿结构为不等间距错位式，结合双圈同轴探头结构，能够有效的提高测量线性度、灵敏度、范围和消除测量死区。

Description

一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构。
背景技术
光纤传感器是20世纪70年代迅速发展起来的一种新型传感器。近几十年来，随着光纤技术的不断发展，在多种非接触测量系统中光纤传感器技术已发展成熟，反射式强度调制型(RIM)光纤传感器因其稳定性、可靠性等特点广泛应用在表面形貌测量中。
由于RIM型光纤传感器是通过光强变化来测量被测表面形貌，因此，必然受到光源功率波动的影响。此外，反射面的反射率不同，光纤传输损耗均对测量系统造成一定误差；因而，要提高系统的测量精度需采取强度补偿技术来消除环境因素的干扰。
目前，常用的补偿技术是多光纤补偿结构，一般为采用两根(或两组)光纤分别作接收光纤，利用两组信息相关性与差异性进行数据处理达到补偿目的。如三光纤补偿结构中以等芯等间距式为最优，而等芯错位式对线性范围、线性度是改善效果并不明显。
发明内容
本发明的目的旨在针对错位式补偿结构对线性范围、线性度改善效果上的不足，提出一种能够明显改善测量灵敏度以及线性范围的新型不等间距错位式补偿结构，结合双圈同轴探头结构消除测量死区。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构，包括发送光纤1，至少两层接收光纤组；所述的接收光纤组均放置在发送光纤同一侧，第一层接收光纤组2紧围绕发送光纤分布，第二层接收光纤组3在第一层接收光纤组外围绕分布；每一层接收光纤组至少两根接收光纤；所述的发送光纤一端与光源激光器耦合连接，两层接收光纤组分别与光电探测器连接，光源由发送光纤传输到被测表面经反射后由两层接收光纤接收传输到光电探测器转换为电信号输出；其特征在于：
所述的发送光纤与每一层接收光纤组的接收光纤相互之间以相同距离c排列，并非在同一平面内；
所述的发送光纤1的端面与第一层接收光纤组2的端面形成错位量a，发送光纤与第一层接收光纤组2构成参考光路；
所述第一层接收光纤组2的端面与第二层接收光纤组3的端面形成错位量b，发送光纤1与第二层接收光纤组3构成测量光路；
本发明与现有技术相比具有实质性特点和显著的效果是：
本发明光纤传感器补偿结构采用不等间距错位式，并结合双圈同轴探头结构，能够有效的提高测量线性度、灵敏度、范围和消除测量死区，从而提高了光纤传感器的性能。
附图说明
图1是本发明不等间距错位式补偿结构原理图。
图2是本发明不等间距错位式补偿结构的立体视图。
图3是本发明不等间距错位式与等间距错位式结构输出特性仿真对比。
图4是本发明不等间距错位式补偿结构光纤传感器实验结果。
图中：发送光纤1、第一层接收光纤组2、第二层接收光纤组3、被测物表面4。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构，包括一根发送光纤1，至少两层接收光纤组；接收光纤组均放置在发送光纤同一侧，其中：
所述的第一层接收光纤组2紧围绕发送光纤分布，第二层接收光纤组3在第一层接收光纤组外围绕分布；每一层接收光纤组至少两根接收光纤；所述的发送光纤一端与光源激光器耦合连接，两层接收光纤组分别与光电探测器连接，光源由发送光纤传输到被测表面经反射后由两层接收光纤接收传输到光电探测器转换为电信号输出；
所述的发送光纤与每一层接收光纤组的接收光纤相互之间以相同距离c排列，并非在同一平面内；
所述的发送光纤的端面与第一层接收光纤组2的端面形成错位量a，发送光纤与第一层接收光纤组2构成参考光路；
所述的第一层接收光纤组2的端面与第二层接收光纤组3的端面形成错位量b，发送光纤与第二层接收光纤组3构成测量光路；
本发明的具体实施例：
如图1所示，一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构，包括一根发送光纤，两根接收光纤，两根接收光纤均放置在发射光纤同一侧，三根光纤两两之间以相同距离c排列。
三根光纤在光纤端面处并不平齐，由发送光纤与其中一根接收光纤2在光纤端面形成错位量a构成一组单光纤对作为参考光路，接收光纤2与另一根接收光纤3在光纤端面形成错位量b，发送光纤与接收光纤3构成另一组单光纤对作为测量光路。上述即为改进的不等间距等芯错位式补偿结构。图2所示为不等间距错位式补偿结构结合双圈同轴型的探头侧视图。
如根据补偿结构，选取三根光纤芯径均为150μm的多模光纤，包层厚度为50μm，为避免光纤间间隙引起的误差，实际光纤探头以发射光纤与两层接收光纤紧密排列，故两光纤之间的轴间距为c＝300μm。光纤最大入射角为θC＝30°，光纤光功率损耗K＝0.5mm-1/2。错位量的选取为：a＝300μm，b＝150μm。
图3中实线为不等间距错位式结构特性曲线，虚线为等间距错位式特性曲线。在给定参数下不等间距特性曲线在0.2-1.5mm范围内灵敏度较高，线性度较好，但对于距离微小测量时进入接收光纤的反射光较弱，导致光耦合量较小，致使在0-0.2mm间出现死区；等间距曲线虽不存在死区，扩大了测量范围，但灵敏度提高效果不明显，以及线性度不够好。
根据以上仿真分析，对新型补偿结构的光纤传感器进行实验测试。其中纤芯半径均取100μm，包层厚度为50μm，为避免光纤间间隙引起的误差，使发射光纤与两层接收光纤紧密排列。光源采用0.89μm的近红外发光二极管，驱动电流为30mA。探测器选用光纤耦合InGaAs探测器。位移平台选用微米级垂直精密位移平台。
实验时，将被测光洁平面固定于精密位移平台，传感器探头固定于支架上并垂直于被测物表面4。探头的入射光纤连接激光器，出射光纤连接探测器。初始时，探头表面紧贴被测物表面4，随后调整位移平台使被测物表面4远离探头，每隔0.1mm记录一次探测器的输出电压，记录20次。再同方法反向测量20次，得到实验数据。剔除数据中的坏点后，对测量结果的近似线性区间数据进行线性拟合得到的结果如图4所示。可见，拟合得到直线的斜率为0.5355，截距为0.1315；实际测量结果与数值计算的预期结果一致，补偿后传感器的线性区间约在0-1.6mm之间，线性范围扩大，线性度更好。

Claims (1)

1.一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构，包括发送光纤(1)，至少两层接收光纤组；所述的接收光纤组均放置在发送光纤同一侧，第一层接收光纤组(2)紧围绕发送光纤分布，第二层接收光纤组(3)在第一层接收光纤组外围绕分布；每一层接收光纤组至少两根接收光纤；所述的发送光纤一端与光源激光器耦合连接，两层接收光纤组分别与光电探测器连接，光源由发送光纤传输到被测表面经反射后由两层接收光纤接收传输到光电探测器转换为电信号输出；其特征在于：
所述的发送光纤与每一层接收光纤组的接收光纤相互之间以相同距离c排列，并非在同一平面内；
所述的发送光纤(1)的端面与第一层接收光纤组(2)的端面形成错位量a，发送光纤与第一层接收光纤组(2)构成参考光路；
所述第一层接收光纤组(2)的端面与第二层接收光纤组(3)在端面形成错位量b，发送光纤与第二层接收光纤组(3)构成测量光路。
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