常用的光纤传感器技术

     由于非功能型光纤传感器（NFF）的制作和应用比较容易，因而目前NFF型传感器应用与种类都比较多。

       在NFF型传感器中，反射式强度型光纤传感器具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并已在许多物（如位移、转速、振动等）的测量中获得成功应用。而在这种光纤传感器中，又以反射式Y型光纤传感器为常用，下面就介绍这种光纤传感器技术的结构与工作原理。

        常用的反射式Y型光纤传感器是最基本的、结构最简单的、使用最多的一种非功能型（NFF）或传光型光纤传感器，也有人将它称之为“天线型”光纤传感器，其结构如图5-7（a）所示，由图可见，光纤采用Y型结构，即两束光纤一端合并在一起组成一个测量的光纤探头（测量时则对向被测物），另一端分为两支，分别作为光源光纤（即将发光二极管LED或激光二极管LD光源与光纤耦合连接形成光源光纤）和接收光纤（即将光电探测器件PIN光敏二极管或APD光敏二极管等与光纤耦合连接形成接收光纤），从而形成了Y型光纤传感器的结构。这种Y型结构，用两根光纤或多根光纤组成，一般实用产品大都是多根光纤组成。

      Y型光纤传感器的工作原理是基于光反射系数的变化。当光从光源耦合进到光源光纤，通过光源光纤传输到光纤测量头，其输出光就射向被测表面，从而会被被测表面反射到接收光纤,最后传输到由光电转换探测器件所接收。这时，光电探测器件（即图中的光敏元件）输岀的电压为U=f(d)。

       显然，光电探测器件接收到的光，除与反射体到光纤探头的距离d有关外，还与被测表面反射体表面性质等有关。当光纤芯半径八光纤的数值孔径NA,反射面、检测器已确定的情况下，这时其输出电压U就只是位移d的函数。所以，通过分析输出电压可以得到相应位移d的数值，这样就可以实现非接触微小位移的精密测量。

       当光纤探头紧贴反射面时，接收器光电探测器件接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，当到达最大值点后，又随两者的距离增加而减小，其位移和输出关系的曲线，如图5-7(b)所示。

图5-7光纤位移传感器原理图

       实际应用曲线II段时，多是将光纤探头调节到离反射面距离光强最大值时予以固定，然后进行所需的如测量位移等应用检测。

       当光纤芯半径r、光纤的数值孔径NA、检测器已确定的情况下，则探测器件接收到的光与反射体表面性质、反射体到光纤探头的距离有关，因而这种反射式Y型光纤传感器，可用来检测表面粗糙度、密度，以及位移、转速、微震等。显然，这种反射式Y型光纤传感器是一种强度调制型的非接触式测量，具有探头小、响应速度快、测量线性化等优点。

       强度调制型光纤传感器是最早使用的调制方法，其特点是，技术简单、工作可靠、价格低，可采用多模光纤，且光纤的连接器和耦合器已经实现了商品化。光源可采用输出稳定的LED或高强度白炽灯等非相干光源。探测器一般用光敏二极管(VD)、PIN管和光电池等。

       由图5-7(a)知，当反射表面位置确定后，接收到的反射光的光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。也就是说，传导到光敏元件上的光量，随反射面相对光纤端面的位移d变化，其位移量和输出的关系如图5-7(b)所示。因此，即可根据输出值的大小而测得位移d值。当d很小时，由于这时两光纤的光锥角重叠部分很小，因此反射到接收光纤的光量很少，到达光敏元件的光强较弱；随着d的不断增加，光敏元件的接收光量随之增大并达到最大值，这就是图中曲线I段。虽其范围窄，但灵敏度高，线性好，适于测微小位移和表面粗糙度等，测量范围通常在100μm以内，有的最大接近300μm。如果d继续加大，则曲线从峰值开始逐渐下降，成为II段，其特性与I段情况基本相反。对于这类光纤传感器，其光强响应特性曲线是传感器设计的主要依据。

       为了提高光强的耦合效率，可采用大数值孔径光纤或传光束。目前，这种传感器的测量位移范围最大约为10mm左右(用特性曲线II段)，测量分辨力可达0.05pm,精度最高可达0.1皿左右(用特性曲线I段)。这类传感器包括基于反射原理、遮断式、微弯损耗原理、辐射损耗原理、光弹效应等的光纤位移传感器。

       在实际应用中，这种光纤位移传感器的光纤并不是单根的发射和接收光纤，而是由数十或数百根光纤组成的光缆。所使用光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一，这些特性包括光纤的数量、尺寸和分布，以及每根光纤的数值孔径。而光纤探头端部的发射光纤和接收光纤的分布状况对探头测量范围和灵敏度的大小有较大影响。一般，在光纤探头的端部，发射光纤与接收光纤有以下四种分布组合方式（如图5-8所示）：随机分布（混合式）、半球形对开（或对半）分布、共轴内发射分布、共轴外发射分布。

图5-8 发射光纤和接收光纤的四种分布组合方式

       在图5-8中，随机排列混合式的灵敏度高，而半球形对半式的I区段范围最大。随机排列虽可近似地达到灵敏度的最佳值，即可以获得最大位移灵敏度，但将接收光纤和发射光纤一根一根地交错排列，比较困难而麻烦。而半球形分布的探头，测量范围虽比随机分布时要大。不同的光纤分布，以及改变光纤的一两个特性参数，也会影响到测量范围。例如，每根光纤直径加粗，也有同样的效果。值得指出的是，位移范围的加大，又会伴随着灵敏度的下降。因此，需根据实际的需要，灵活地选择发射光纤和接收光纤的分布组合方式。

（1）表面粗糙度检测原理。根据P.Beakmann等人的理论，当一束光射至金属表面时，由于表面的微观不平，反射光将发生漫反射现象。其漫反射光强的表达式为

式中，；I0为入射光强；

T为表面相关长度；θ1为光束入射角；θ2为光束散射角；λ为光束波长；c为常数；L为被照亮面的长度；&为高低不平表面反射率的均方根值，为与表面粗糙度相关的函数，可以作为表面粗糙度的表征值。F为粗糙度表面的反射函数，它与表面反射率R及入射光的入射角θ有关。并且，漫反射光强为镜面反射光强与散射光强之和。其中，镜面反
射光强为

散射光强为

       上两式中含有Rq，可见，通过测量厶可以计算或评定表面粗糙度，这就是镜面反射法。如果能测得Is和/d,求其比值，同样可以计算或评定表面粗糙度，这是求比值法。由于求比值法和镜面反射法中含有F项或r项，从而带来了表面反射率和表面相关长度的影响，这是造成前述问题存在的主要原因。

       从式（5-4）中可以看出，镜面反射光强项中不含有相关长度T。这样，如果单侧镜面反射光强，即可消除表面相关长度的影响。镜面反射光强项中含有F项，其表达式为 

       因此，F可以看成表面反射率R随θ1、θ2变化的函数，因此在θ1=θ2=0°的情况下，F=R。此时镜面反射光强为

根据这一条件，表面粗糙度检测装置如图5-9所示。

图5-9表面粗糙度检测装置

        在图 5-9（b）中，光纤 1 和光纤 2 同时以 0°角测量表面已知的粗糙度的标准样块和表面粗糙度未知的被测样块的表面反射光强。由于标准样块和被测样块是采用同种材料经相同的加工方法而得到的，因而其表面反射率相同。得到两表面镜反射光强分别为

式中，Rq2为已知，则s为只与Rq1有关的函数，求得比值S,即可以计算或评定出表面粗糙度的表征值Rq1。

       (2)表面粗糙度检测装置及定标。表面粗糙度检测装置如图5-9(b)所示，在该装置中，系统采用溴钨灯光源，经透镜耦合到光纤传感器使用的二个Y型同轴光纤束传输光束的入射端，再由光纤内芯投射到试件表面，光纤外环接收反射光。光电转换器件釆用两只性能相同的PIN光电二极管VD1和VD2，为消除杂散光的干扰，光纤外环岀射端与光电二极管封装在一起。标准样品与被测样品的表面反射光信号Is1和Is2,经光电二极管分别转换成电信号Usi和Us2再经过放大和A/D转换，输入到单片机系统，按式(5-10)处理比值S。最后，求得被测试件表面粗糙度值，并用数码管显示。

       由于实践过程与理论推导所假定的条件相差较大，因而理论上推导出的公式并不完全适用，必须要对仪器进行在线定标，然后求出相应的拟合公式。

       现在所使用的粗糙度标准是根据绝对测量法制定的。实际上，用触针法和用光切法得到的粗糙度的值有很大差异。根据国际规定，优先选用的值的原则，釆用R值进行定标。定标所用的标准样块由长春市计量局触针法检定的一组标准粗糙度样块，并选用其中Ra为0.2μm的样块作为标准样块（即测量中的比较标准）。通过对这组样块的测量，得到比值S同表面粗糙度&的关系曲线，应用最小二乘法，进行曲线拟合，得到Ra同比值S的数学公式。实际测量中应用这个公式，再由此比值S推导出表面粗糙度的计算公式。

       实际的粗糙度表面是很不均匀的，即使对于标准样块，也存在着表面粗糙度很离散的问题，即&值波动很大。对于镜面反射光强，这是导致测量值离散度大的主要原因，因此，定标样块的测量精度直接影响定标曲线的精度。为了消除这种随机误差，釆用了多点测量取平均值的方法。实验中，对Ra=0.2μm的标准样块，在20mm场的范围内，每隔0.5mm测量一点，光纤的光斑直径大约为3mm,这样测得的镜面反射光强值，基本上真实地反映了表面粗糙度为0.2μm的表面反射光强，此值即为比较标准Isi。据此，即可求出比值为SI=Isi/Isi,经计算机作曲线拟合得到拟合公式

       式（5-11）与理论推导结果基本一致。这样，用标准样块比较法可以消除其他因素（如切削液等）对测量值的影响。

       由于是反射式Y型光纤传感器，因而这里主要讨论反射密度D.其定义是，反射密度。是投射到试样上的入射光通量S与反射光通量（指在某个反射角范围内）之比的常用对数值，即

也可写成

      但在实际测量中，必须将光通量测量转化成电压测量。对于一个线性系统，光通量转换为电压有下面的关系式

U=KΦ                          (5-14）

      式中，Φ为入射光通量；K为比例系数；U为转换岀来的电压。

      若Φi与Φf分别转换的电压为Ui与Uf,则由式（5-13）与式（5-14）可得出下式

D=logUj-logUr                             （5-15）

      对反射式光电密度测量，无法获得Ui本身，而是用一密度已知的“标准密度板”，间接地得出Ui。

      设标准密度板的密度为D1，测量其密度得出信号电压为Un,根据式（5-15）可得

D1=logU1—-logUn

于是可得

logU1=D1+logUn                      (5-16) 

将式（5-16）代入式（5-15）,即可得出所测量的密度值表达式为

D=D1+logUfl-logUf                （5-17）

光密度测量的具体步骤是：

  (1）将已知的标准的不同密度或色阶片放在反射板上，用Y型光纤探头压住。

（2）对色阶片（或密度阶片）逐一进行测试，并记录其输出电压值。

（3）将欲测试的不同深浅色的未知密度纸放入反射板上测试，并记录其输出电压值。

（4）将未知的与已知值进行比较，与已知相等或极接近的电压值所标注的密度，即为所要测量的密度值。

         用这种反射式Y型光纤传感器除测量位移、密度、粗糙度之外，还可用来测量电机的转速，测量微小振动的振幅与频率等，其传感原理基本相同，有兴趣的读者，可自己设计其测量方案。

       用Y型光纤传感器测量振动频率的装置图，如图5-10所示，它由Y型光纤传感器、光源（图中为发光二极管）、光电探测器件（图中为光敏三极管）、振动机构等部分组成。这个装置工作时，光量传输过程与前面位移测量基本相同，其不同的是反射镜面与Y型光纤传感器端面间距离变化，受振动机构控制。一般，在振幅不变的情况下，如改变振动频率，在数字电压表上，就可以得到一系列与振动频率相对应的电压值。

图5-10      用Y型光纤传感器测量振动频率

       用Y型光纤传感器测量转速（如电机转速）的原理，如图5-11所示。这个测量装置有一个实现转动的机构，并有转速调制器。Y型光纤传感器测量转速的过程，也类同于前面所讲的位移、振动测量。光源（图中为发光二极管）发出的光，由入射光纤传输，并投射到转盘的反射镜上，然后将光反射回光纤，并出射到光敏器件（图中为光敏三极管）上。显然，当反射镜随转盘旋转时，其位置会发生周期性变化，则光敏器件的输出信号也周期性变化，这个变化周期就是转盘（或电机）的旋转速度，这样就实现了转速测量。 

图5-11       用Y型光纤传感器测量转速