王恒

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

光纖傳感器位移特性的研究與應(yīng)用

王恒

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

從理論和實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，分析了光纖傳感器的位移特性，闡述了一種利用光纖傳感器位移特性檢測(cè)工件磨損度的方法;對(duì)傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、理論分析進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)易磨損工件磨損度檢測(cè)的目的;證明了方案的可行性。

光纖傳感器;位移特性;位移測(cè)量;補(bǔ)償

光纖傳感器是以光纖為基礎(chǔ)制作的新型傳感器設(shè)備，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣性好、耐腐蝕、測(cè)量范圍廣、體積小以及傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)，常用于檢測(cè)位移、溫度、偏振、壓力等，現(xiàn)代光纖傳感器能在高壓環(huán)境下代替人工完成作業(yè)，因此被廣泛用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。

1 位移特性研究與結(jié)果分析

1.1 研究原理

反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器，其原理如圖1所示。由2根光纖組成，光源發(fā)出的光經(jīng)過入射光纖傳播，從入射光纖出射到物體的表面，經(jīng)過表面的反射，進(jìn)入反射光纖，光敏元件負(fù)責(zé)接收光信號(hào)并通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)U。在其他參數(shù)不變的情況下，電壓信號(hào)的大小，取決于入射光纖端面與被測(cè)面之間的距離。經(jīng)過后續(xù)的信號(hào)處理電路，即可檢測(cè)出位移量。

圖1 光纖傳感器原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別為入射光纖和反射光纖。將傳感器固定在專用實(shí)驗(yàn)儀器上，為了便于實(shí)驗(yàn)，規(guī)定5 mm處為實(shí)驗(yàn)起始位置。手動(dòng)在5 mm處將光纖探頭緊貼反射體表面，打開光源，光耦合進(jìn)入入射光纖并射向反射面，再被反射到反射光纖，經(jīng)過傳輸由光電轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U并顯示在電壓表上。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加明顯，實(shí)驗(yàn)中選用表面反射率不同的反射體1，2，每間隔0.1 mm測(cè)量一次并記錄。最后通過軟件繪出數(shù)據(jù)圖。

光電轉(zhuǎn)換器接收到的光強(qiáng)與探頭和反射體之間的距離變化有關(guān)，通過測(cè)量電壓信號(hào)的大小，再經(jīng)過計(jì)算即可得到光纖探頭和反射面之間的距離。

1.3 數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖2可以看出，電壓的變化可以反映接收到的反射光的光強(qiáng)變化。在一定距離范圍內(nèi)接收到的光強(qiáng)的強(qiáng)弱與光纖探頭和反射體之間的距離以及反射體表面的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)光纖探頭緊貼反射體(5 mm處)時(shí)，接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭和反射體之間距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高點(diǎn)后又隨著兩者之間距離的增加而減小，在小范圍位移內(nèi)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)線性化。

圖2 不同反射體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

2 應(yīng)用舉例

2.1 工件磨損度檢測(cè)系統(tǒng)

工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)許多易磨損工件的磨損度的檢測(cè)極為重要。工件磨損度的檢測(cè)是指在機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)工件的表面形狀進(jìn)行檢測(cè)。許多易損工件長(zhǎng)時(shí)間工作后，其表面磨損狀況直接影響生產(chǎn)。因此，工件磨損度的精確測(cè)量是提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖3 工件磨損度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3為工件磨損度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)光源提供原始光信號(hào)，進(jìn)入入射光纖，接觸到待測(cè)工件表面，這時(shí)光信號(hào)反射進(jìn)入反射光纖，由反射光纖傳遞進(jìn)入光電探測(cè)器，其中反射光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)為測(cè)量對(duì)象;隨后，光信號(hào)再進(jìn)入相敏檢波器，采用相敏檢波電路的目的是為了消除測(cè)量時(shí)背景光的影響;之后，光信號(hào)在經(jīng)過相敏檢波器處理之后，進(jìn)入除法器，除法器的作用是進(jìn)一步消除光源波動(dòng)、反射體反射率的差異及光纖損耗的影響;所得的數(shù)據(jù)再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并通過計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，由顯示器或打印機(jī)輸出最終結(jié)果。

2.2 補(bǔ)償分析

通過位移特性研究了解到，傳統(tǒng)的反射式光纖位移傳感器在可測(cè)范圍內(nèi)具有一定的線性度，實(shí)測(cè)中通常只利用線性相對(duì)較好的前波，這樣會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。而且，測(cè)量過程中由于光源強(qiáng)度、反射體表面性質(zhì)等因素的變化也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。

為了避免上述因素帶來的影響，提出了一種有效的補(bǔ)償機(jī)制，即采用等間距雙路接收的三探頭反射式光纖位移傳感器對(duì)被測(cè)量體進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。對(duì)于圖4所示的三探頭光纖傳感器結(jié)構(gòu)，可以以入射光纖心軸線為Z軸，以過三光纖端面中心的連線為R軸建立坐標(biāo)系，如圖5所示。

圖4 等間距雙路接收的三探頭反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖5 耦合原理圖

假設(shè)反射面為光滑鏡面，忽略由于散射帶來的影響，則反射光纖接收到的光強(qiáng)與將它置于反射體鏡像處直接接收到的光強(qiáng)乘以鏡面的反射系數(shù)是等價(jià)的。根據(jù)纖端光強(qiáng)的分布假設(shè)，將式(1)代入，可得反射光纖接收到的光通量為式(2);再由式(2)可以計(jì)算出圖中反射光纖1，2接收到的光通量Φ1，Φ2，如式(3)，式(4)所示。

K0表示光波在入射光纖中的損耗;R(z)為光場(chǎng)分布等效半徑，且為纖芯半徑;θc為光最大入射角;k為光場(chǎng)耦合系數(shù);ρ1表示鏡面反射率;ρ2表示反射光纖光功率損耗系數(shù);表示由于接收光纖彎曲所帶來的損耗;S為光纖有效接收面積。

由式(5)可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)d，a0，θc一定時(shí)，光纖輸出特性僅與光纖端面到反射體之間的距離有關(guān)。通過對(duì)其補(bǔ)償機(jī)制的分析表明，這種方法可以有效地對(duì)光源強(qiáng)度、反射體表面性質(zhì)以及光纖光強(qiáng)損耗和彎曲損耗等因素變化帶來的影響進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高對(duì)磨損度的測(cè)量精度。

3 結(jié)語

將光纖傳感器的位移特性應(yīng)用與工件磨損度的檢測(cè)中，給出了一種具有靈敏度高、抗電磁干擾、安全可靠等特點(diǎn)的磨損度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能滿足磨損度測(cè)量系統(tǒng)的精度及分辨率要求，具有較好的實(shí)用性，而且也可以作為其他反射式光纖測(cè)量系統(tǒng)的配套電路使用。

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Research and Application of the Feature of Optical Fiber Sensor Displacement

WANG Heng

(School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Technology，Anhui Huainan 232001，China)

From the perspective of theory and experiment，this paper analyzes the feature of optical fiber sensor displacement，expounds a method to test the abradability of a workpiece，by using a kind of optical fiber sensor displacement features，studies experimental principle，practically testing data and theoretical analysis of the sensor displacement features，attains the goal on the abradability test on easily－worn workpieces in industrial production，and proves the accuracy of the experimental data and the feasibility of the scheme.

TP212

A

1672－058X(2015)01－0055－04

10.16055/j.issn.1672－058X.2015.0001.014

責(zé)任編輯:代小紅

校對(duì):李翠薇

2014－05－02;

2014－06－27.

王恒(1989－)，男，安徽六安人，碩士研究生，從事自動(dòng)控制與傳感器檢測(cè)研究.

Abstract:optical fiber sensor;displacement feature;displacement measurement;compensation