CN109781155A

CN109781155A - 一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头

Info

Publication number: CN109781155A
Application number: CN201910147101.4A
Authority: CN
Inventors: 杨瑞峰; 郭晨霞; 杨睿
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明涉及一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头，包括发送光纤，内圈接收光纤和外圈接收光纤；发送光纤的一端与发射光的激光器连接，内圈接收光纤和外圈接收光纤分别与光电探测器连接；其特点是光纤传感器探头是以发送光纤中心为轴，发送光纤布置在探头的中心，内圈接收光纤和发送光纤呈同心圆结构紧密排列且末端在同一平面内，外圈接收光纤与发送光纤中心轴线成β＝2.33°角度，末端与内圈接收光纤末端相切，其末端在同一个曲面内，其中中心经过发送光纤的轴线；它减小了测量带来的误差，改善了测量不准的情况，测量灵敏度提高了约1.89倍，测量的线性区间范围扩大了约1.14倍，提高了用于表面形貌测量的光纤传感器的性能。

Description

一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头。

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。将光纤传感技术应用于表面微观形貌的测量，可以实现非接触的高精度测量。实用性的光纤传感器一般都以强度调制型光纤传感器为主。反射式强度调制型(RIM)光纤传感器因其结构简单、体积小、频带宽、稳定性好、可靠性高等特点广泛应用在表面形貌测量中。

任何被测件表面经切削、研磨等加工过程中因温度和压力等因素的变化，导致表面各处反射率不同，在测量表面形貌时带来误差。此种误差，可采用双圈同轴型光纤传感器结合比值法来减小。

目前，常见的反射式光纤传感器探头的端面以平面为主，也就是出射光纤和入射光纤的纤端在同一平面上，其内部光纤束排列主要呈随机型，平行型，同轴型和半圆型排列，各种不同的排列方式影响测量范围的大小和灵敏度的高低。因为发送光纤和接收光纤是紧密排列的，所以在同一平面内的的结构对于测量喊曲率较大的点的平面时会丢失很多数据。引入外圈光纤的倾斜角可以有效扩大双圈同轴式光纤传感器的测量范围和灵敏度，还可以改善表面某些曲率变化较大的点测不准的情况。

发明内容

本发明的目的旨在克服光纤传感器探头的结构的缺点和不足，提出了一种增大线性测量区间、提高测量灵敏度的包含外圈光纤倾斜角的反射式光纤传感器探头。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头，包括发送光纤1，至少两圈接收光纤，即内圈接收光纤2，外圈接收光纤3；所述的发送光纤的一端与发射光的激光器连接，内圈接收光纤和外圈接收光纤分别与光电探测器的两个采集通道连接；其特征在于：所述的光纤传感器探头是以发送光纤中心为轴，所述的发送光纤布置在探头的中心，内圈接收光纤与发送光纤的末端在同一平面内，外圈接收光纤与发送光纤的轴线成角度为β，发送光纤端面与内圈接收光纤在一个平面内，外圈接收光纤与内圈接收光纤部分相切并分布在同一曲面内，接收光纤的末端和发送光纤都是紧密排列的，即所述的光纤传感器探头为双圈同轴结构。

所述的内圈接收光纤有六根，外圈接收光纤有十二根，所述的曲面为球面内。

所述的内圈接收光纤和外圈接收光纤与光电探测器之间都采用FC连接器耦合连接。

所述的发射光纤为芯径9μm的多模光纤，接收光纤均为芯径65μm的多模光纤，且其包层直径都为125μm。

所述的外圈接收光纤与发送光纤轴线倾斜角为β＝2.33°。

本发明与现有技术相比具有实质性特点和显著性效果：

本发明的光纤传感器探头结构基于单圈同轴式探头结构改良为采用外圈接收光纤包含倾斜角的光纤探头结构，能够减小因表面反射率不同给测量带来的误差，还可以改善因某些曲率较大的点的测不准的情况。在测量性能方面，相比较于单圈同轴型光纤传感器，灵敏度提高了约1.89倍，用于测量的线性区间范围扩大了约1.14倍。此种光纤传感器探头结构极大地提高了用于表面形貌测量的反射式强度调制型光纤传感器的性能。

附图说明

图1是本发明探头的结构示意图。

图2是本发明的轴测三维示意图。

图3是本发明包含不同外圈接收光纤倾斜角的光纤探头结合比值法的调制特性曲线图。

其中，发送光纤1、内圈接收光纤2、外圈接收光纤3、反射面4、发送光纤的像5、球面6。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式

如图1所示，是本发明的探头结构示意图。一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头，由一根发送光纤，六根不倾斜的内圈接收光纤和12根倾斜的外圈接收光纤组成。发送光纤位于光纤探头的中心，6根内圈接收光纤末端和发送光线在同一平面内，并以同心圆的结构与发送光纤紧密排列，外圈的12根倾斜的接收光纤与发送光纤轴线呈成β角，且分布在同一个球面6内。外圈倾斜接收光纤的尾端与内圈接收光纤尾端相切且紧密排列。

图中:r₁为发送光纤半径，r₂为接收光纤半径，2d表示出射光纤端面到镜像反射面5的距离,w(2d)为出射光在距离2d处的模场半径，p₁为发送光纤和内圈接收光纤纤芯之间的距离，p₂为发送光纤和外圈接收光纤纤芯之间的距离。θ为出射角，β为外圈接收光纤的倾斜角度。

如图2所示，本发明探头的轴测三维示意图。

本发明的光纤传感器探头以及被测物体。

本发明的光纤传感器探头的发送光纤的一端与激光器的尾纤耦合连接。六根的内圈接收光纤和12根外圈接收光纤分别与光电探测器的两个端口采用FC连接器耦合连接。接收光纤携带了波长为1550nm，光强为I(r)的高斯光经由被测物体表面反射的信息；

其中：P₀为半导体激光器的功率，P为单根接收光纤接收到的光功率，C为菲涅尔界面反射系数，p表示发送光纤和接收关系概念纤芯之间的距离，是个变量。

将内外接受光纤接收到的光功率值做比值可以消除由光源波动和漂移给测量系统带来的误差。经过比值之后的数据信息就是位移和光强之间的关系，即调制特性曲线。可以利用此对应关系来对被测物体表面进行扫描，还原被测表面形貌。

实验测量系统，采用LR-SFJ-1550/10Mw的激光器，JW101台式光电探测器。发送光纤采用直径为9μm包层直径为125μm数值孔径为NA＝0.12的单模光纤，内外圈接收光纤采用直径为65μm包层直径为125μm的多模光纤。单模光纤的最大出射角θ＝arcsin(NA)。实验中采用数值孔径NA＝0.17,因此发送光纤的最大出射角为6°。分别对倾斜角β＝0°，1°，2°，4°，6°，进行仿真实验。

通过仿真实验可以得出调制特性曲线，如图3所示。进行仿真实验时发现，当倾斜角度超过2.33°使用比值法会出现无穷大的情况。因此，结合粒子群优化算法将2.33°作为最优倾斜角度。通过与外圈倾斜角为零的双圈同轴型结构的比较可以看出，前坡线性测量区间由β＝0°时的[386μm 732μm]扩大到了[452μm 845μm]，灵敏度表现为前坡线性测量区间内调至特性曲线的斜率，灵敏度由原来的1.121×10^-3,增大到了2.287×10^-3。因此含倾斜角的双圈同轴型反射式强度调制型光纤传感器确实提高了测量性能。

本具体实施以有两层接收光纤的结构为例，本发明的保护范围不限于示例。

Claims

1.一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头，包括发送光纤(1)，两圈接收光纤，即内圈接收光纤(2)，外圈接收光纤(3)；所述的发送光纤的一端与发射光的激光器连接，内圈接收光纤和外圈接收光纤分别与光电探测器的两个采集通道连接；其特征在于：所述的光纤传感器探头是以发送光纤中心为轴，所述的发送光纤布置在探头的中心，内圈接收光纤与发送光纤的末端在同一平面内，外圈接收光纤与发送光纤的轴线成角度为β，发送光纤端面与内圈接收光纤端面在同一个平面内，外圈接收光纤与内圈接收光纤部分相切并分布在同一曲面内，接收光纤的末端和发送光纤都是紧密排列的，即所述的光纤传感器探头为双圈同轴结构。

2.根据权利要求1所述的一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头，其特征在于：所述的内圈接收光纤有六根，外圈接收光纤有十二根，所述的曲面为球面(6)内。

3.根据权利要求1所述的一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头，其特征在于：所述的内圈接收光纤和外圈接收光纤与光电探测器之间都采用FC连接器耦合连接。

4.根据权利要求1所述的一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头，其特征在于：所述的发射光纤为芯径9μm的多模光纤，接收光纤均为芯径65μm的多模光纤，且其包层直径都为125μm。

5.根据权利要求1所述的一种含倾斜角的反射式双圈同轴型光纤传感器探头，其特征在于：所述的外圈接收光纤与发送光纤轴线倾斜角为β＝2.33°。