基于反射式塑料光纖傳感器的微位移測(cè)量技術(shù)研究

賈旻，孫偉

（中北大學(xué)，山西太原，030051；2.66068部隊(duì)，山西太原，030051；3.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原，030082）

基于反射式塑料光纖傳感器的微位移測(cè)量技術(shù)研究

賈旻1，2，孫偉3

（中北大學(xué)，山西太原，030051；2.66068部隊(duì)，山西太原，030051；3.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原，030082）

近年來(lái)，高精度的位移測(cè)量精度要求越來(lái)越高，為響應(yīng)這一需求，本文依據(jù)待測(cè)位移量可由反射光強(qiáng)變化得出的原理設(shè)計(jì)了一種基于塑料光纖的位移傳感器。本文所涉及的光纖位移傳感器以靜態(tài)拉伸式楊氏模量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中鋼絲長(zhǎng)度的微小變化為待測(cè)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。在整個(gè)傳感器系統(tǒng)制作完成后，結(jié)果顯示，在0～3mm 的位移范圍內(nèi)，測(cè)量輸出與實(shí)際位移成線性關(guān)系且線性度為0.6%，在較大位移區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了具有良好線性度的測(cè)量，同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)得靈敏度為2.13mV/μm，保證了測(cè)量的精準(zhǔn)度。這種設(shè)計(jì)方法的使用擴(kuò)大了塑料光纖的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)，優(yōu)化了傳感器的精準(zhǔn)度和線性化精度等性能指標(biāo)。,

微位移測(cè)量；塑料光纖；光纖位移傳感器

0 引言

該微位移測(cè)試系統(tǒng)引入楊氏模量來(lái)表征固體材料抵抗縱向彈性形變的能力。楊氏模量是工程設(shè)計(jì)上選材時(shí)需考量的重要參數(shù)之一，它是一個(gè)重要的表征固體材料性質(zhì)的物理量，通常情況下只與材料的性質(zhì)和溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)測(cè)定楊氏模量的方法很多，如拉伸法、彎曲法和振動(dòng)法。本文中涉及的基于反射式塑料光纖傳感器的微位移測(cè)量系統(tǒng)為用靜態(tài)拉伸法測(cè)定金屬絲的楊氏模量提供了一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的方法。同時(shí)，根據(jù)要求.理論推導(dǎo)出楊氏模量測(cè)量公式，給出了位移特征曲線。

本系統(tǒng)的硬件模塊主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和通信傳輸部分組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、上傳、顯示和存儲(chǔ)功能。主要包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、主控模塊、上位機(jī)顯示存儲(chǔ)等部分。微位移測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 微位移測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖2 反射式光纖位移傳感器原理圖

1 微位移檢測(cè)系統(tǒng)基本原理

1.1 反射式光纖位移傳感器工作原理簡(jiǎn)述

反射式光纖位移傳感器的工作原理簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活，價(jià)格低廉，并且已經(jīng)在許多物理量（如位移、壓力、振動(dòng)、表面粗糙度等）的測(cè)量中獲得了廣泛應(yīng)用。最簡(jiǎn)單的反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)包含光源、傳輸光纖（入射光纖與接收光纖）、反射面以及光電探測(cè)器。反射式光纖位移傳感器的基本工作原理如圖2所示。

光纖傳感探頭接收到來(lái)自光源的光后,光束經(jīng)入射光線射向被測(cè)物的表面，光纖傳感探頭的接收光纖接收到從被測(cè)物表面反射回的光束，此時(shí)光強(qiáng)會(huì)隨著光纖探頭到被測(cè)物表面的距離大小而變化，后續(xù)電路將接收光纖的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)一步通過(guò)分析光強(qiáng)度變化和位移之間的關(guān)系，對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行建模，得出光強(qiáng)調(diào)制特性曲線，最后得到光纖傳感探頭到待測(cè)物體之間位移量[1]。

1.2 反射式光強(qiáng)調(diào)制原理分析

在其他外界因素不變的情況下，光纖間距、芯徑、數(shù)值孔徑等光纖參量都直接影響光強(qiáng)調(diào)制特性，因此定義光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)F是接收光功率Pr和發(fā)送光功率Pi之比，即：F=，耦合到接收光纖的光通量由入射光纖的反射光堆底面與接收光纖的重疊面積來(lái)確定。重疊面積可通過(guò)Γ函數(shù)精確計(jì)算出，或可通過(guò)幾何推導(dǎo)及線性近似法得出從被測(cè)物表面反射回的光堆照射到接收光纖端面上的面積與纖芯面積之比：

由幾何關(guān)系可以計(jì)算得到

由此，接收光功率與發(fā)生光功率之比為：

其中，δ=2xtanθ-d-2r，δ隨x的變化而變化。

顯而易見，F(xiàn)是關(guān)于目標(biāo)待測(cè)位移x的函數(shù)，表征了反射光強(qiáng)調(diào)制特性，在外界測(cè)量條件不變，即其它參量不變的前提下，可將對(duì)待測(cè)位移的測(cè)量轉(zhuǎn)換為反射光強(qiáng)度的測(cè)量，這正是設(shè)計(jì)本文所涉及的反射式光纖位移傳感器的理論依據(jù)。

2 反射式光纖位移傳感器總體設(shè)計(jì)

2.1 傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中的反射式光纖傳感探頭為了兼顧靈敏度和線性度，采用兩束發(fā)射光纖一束接收光纖的組合結(jié)構(gòu)，其中一束發(fā)射光纖以平行于接收光纖的方向放置，另一束發(fā)射光纖與接收光纖之間呈一定角度。同時(shí)，考慮到傳統(tǒng)的石英光纖模間噪音大，抗電磁干擾能力弱等缺陷，本文采用了芯徑粗、電隔離、堅(jiān)固耐用、成本低的塑料光纖來(lái)代替石英光纖。光纖探頭結(jié)構(gòu)端面圖如圖3所示。

圖3 光纖探頭結(jié)構(gòu)端面圖

2.2 反射式光纖位移傳感器的電路設(shè)計(jì)

反射式塑料光纖位移傳感器主要組成部分除了上述的光纖傳感探頭外，還包括信號(hào)處理電路，本文所涉及的被測(cè)對(duì)象是微位移，通過(guò)檢測(cè)反射光強(qiáng)度的微小變化來(lái)間接測(cè)量待測(cè)位移，因此，本文中的信號(hào)處理電路主要針對(duì)微弱信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)，其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 反射式光纖位移傳感器的電路設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：光源驅(qū)動(dòng)電路部分，光電檢測(cè)部分和信號(hào)處理部分。驅(qū)動(dòng)電路部分主要完成對(duì)LED電路的驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)所選擇的LED選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式，保證光源能有穩(wěn)定的光功率輸出，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。光電檢測(cè)部分主要是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收光纖的調(diào)制光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的精度有重要影響，因此，應(yīng)為后續(xù)信號(hào)處理電路提供較干凈的信號(hào)，盡可能減小噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí),由于被測(cè)信號(hào)本身十分微弱,?；祀s在噪聲中,因此必須進(jìn)行放大濾波等相應(yīng)的微弱信號(hào)處理,將被測(cè)信號(hào)提取出來(lái)。

圖5 實(shí)驗(yàn)與擬合曲線圖

3 驗(yàn)證

反射式塑料光纖位移傳感器的前沿區(qū)其線性度較好，因此在這一區(qū)域設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，在各個(gè)測(cè)點(diǎn)處，分別測(cè)出位移量以及所對(duì)應(yīng)的輸出電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，反射式塑料光纖位移傳感器在0～3mm的量程范圍內(nèi)[2]，其線性化程度較高，線性度為0.6% ，絕對(duì)誤差均值為0.0024mm，實(shí)測(cè)靈敏度為2.13mV/μm，傳感器實(shí)驗(yàn)曲線與擬合直線如圖5所示。

當(dāng)位移量為0時(shí)，傳感器的接收光功率為0，接收光功率隨位移量的增加而增大，二者呈線性正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)反射光堆全部照射到接收端面時(shí)，接收光功率達(dá)到最大值。

4 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的反射式塑料光纖位移傳感器通過(guò)采用兩發(fā)送一接收的組合結(jié)構(gòu)對(duì)光纖傳感探頭進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，這不僅擴(kuò)大了塑料光纖的應(yīng)用范圍，同時(shí)，減小了傳感器在測(cè)量過(guò)程中引入的測(cè)量誤差，極大限度的提升了傳感器測(cè)量精度，滿足了對(duì)線性化程度和靈敏度的雙重要求。

[1]楊秋虎.基于強(qiáng)度調(diào)制的光纖位移傳感器信號(hào)處理技術(shù)研究及電路實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué), 2011.

[2]張?jiān)苿?高精度反射式塑料光纖位移傳感器探究[J].電子制作,2014(1).

Research on Micro - displacement Measurement Technology Based on Reflective Plastic Optical Fiber Sensor

Jia Min1,2,Sun Wei3
（1.The North University of China ,Taiyuan ShanXi,030051; 2.66068 Army troops,Taiyuan ShanXi,030051；3.China Coal Science and Technology Group Taiyuan Research Institute Co., Ltd，Taiyuan ShanXi,030082)

In recent years, the high precision displacement measurement precision demand is higher and higher, in response to this demand, based on displacement under test can be reached by the reflected light intensity change principle to design a kind of based on plastic optical fiber displacement sensor. Optical fiber displacement sensor to involved in this paper the static tensile young’s modulus measuring small changes in the length of the wire in the experiments to measure to carry on the design. Throughout the sensor system production is completed, the experimental results show that the sensor output within the range 0 ～ 3 mm and a linear relationship with the displacement, the sensitivity of 2.13 mV/mu m, linearity is 0.6%, so in larger measuring range is realized with good linear. This kind of design greatly enlarged the scope of the use of plastic optical fiber, and the sensor precision is improved greatly by, and the need for linearization accuracy into consideration.

Micro - displacement measurement;Plastic optical fiber;Optical fiber displacement sensor;