光纤传感器

Fotonic Sensor™是一种非接触式仪器，它使用光纤杠杆原理来执行位移测量，振动分析和表面状况测量。毡射通过柔性光纤探针的光束，接收从目标表面反射的光，并将该光转换成与探针尖端之间的距离成比例的电信号和被测量的目标。光纤主体的简化示例如图2所示。然后，来自光纤传感器的输出信号电压用于确定目标表面的位置，位移，振动幅度，频率和波浪。

光纤探头原理（图2）

MTI-2100具有先进的光纤和电子技术，可以精确测量位移、位置和振动。它集新与分辨率0.01µ性能标准。(2.5埃)和频率响应从直接耦合(dc)高达500 kHz。

• 图3和4中示出了毡传感器的操作。图3示出了当光纤探针安装靠近目标时，由接收纤维（B2）看到的反射光（A）的量小。然而，当目标进一步远离探针（图4）时，在接收纤维（B2）上照射的光量快速增加。在该范围内的甚至小的目标运动导致接收光量的显着增加。

传感器反射光低，接近目标(图3)

来自光纤传感器的最大反射光（图4）

如果你绘制一个电压输出曲线(与接收到的光强度成比例)与目标和光纤传感器之间的距离，你会发现，当探头接近目标时，这个关系是非常敏感的。这个高度敏感的区域称为性能曲线的前斜率(图5)，典型值如表1中的Range 1所示。

光纤探头响应曲线(图5)

进一步增加距离会导致图4中的照明面积(A)扩大，增加接收光纤看到的反射光量(B2)。最终，面积B2变成饱和，这表明纤维正在接受尽可能大的光量。此时，MTI-2100光子传感器产生最大电压输出。这个顶点叫做光峰。初始电压上升和最大输出的位移范围是探针直径和光纤的数值孔径(N.A.)的函数，而不是表面反射率。

调整光学峰值的振幅提供了检查和比较表面条件所需的输出灵敏度。它还用于校准每个光纤探头，以复制在MTII建立的灵敏度因子。图6显示了三种不同的反射表面。

不同目标反射率下光纤探头响应曲线(图6)

曲线A:目标反射系数高时的仪器响应曲线。

曲线B:校准过的仪器响应曲线。

曲线C:目标反射率较低时的仪器响应曲线。

注意，三种样品的光学峰在相同的工作距离下出现。通过调整该峰值的振幅，使之与标定过程(曲线B)中MTII设置的振幅相匹配，就可以复制前坡和后坡。这个斜率或灵敏度值存储在MTI-2100插入模块的存储器中，用于将电压转换为位移或位置。MTI-2100有一个校准过程，允许您复制这条曲线，并“自校准”到您特定的目标反射率。如果目标反射率过高(曲线A)或过低(曲线C)，与校准曲线(B)相比，用户只需按“cal”按钮来调整透射光强度。

如果需要更高的灵敏度，光强可以进一步增加。例如，灯的强度按比例增加20倍，光纤探头的灵敏度就增加20倍。这可以很容易地通过电子电路来完成，该电路通过一个硅光电二极管来监测灯的强度。硅光电二极管在几个数量级的光强上是线性的，因此可以完全通过电子控制来选择广泛的灵敏度范围。此外，灯监视器光电二极管可用于电子伺服控制，以保持灯的强度恒定，确保稳定的位移读数。

远离探针的进一步目标移动导致图4中的接收光纤（B2）看到的反射光强度的损失，并产生电压输出的降低。该曲线的该区域称为后斜率区域（图5），如表1中所列的范围2所列的典型值存储在每个光纤提供两个不同操作区域的前斜率的灵敏度因子传感器。一个高度敏感的区域，具有小的梯级和测量范围，另一个敏感区域，距离和测量范围较大。

通过使用MTII的KD-LS-1A光学扩展器2,Fotonic传感器也可以在更大的距离下工作(图7)。这将光纤探头的光聚焦到距离最前镜头约0.32英寸(8mm)的点。

KD-LS-1A光纤探头扩展器(图7)

当从KD-LS-1A的前部到反射目标的距离大致与透镜组件的焦距大致相同时，探针面的图像将出现在反射目标的表面上。该图像通过KD-LS-1A发送，并在光纤探针面上重叠。这使得返回光进入透射纤维并显着减小投影到接收纤维上的光。光的降低在仪器的输出信号中产生了急剧无效，如图8所示。

与标准探头相比，KD-LS-1A光纤探头扩展器响应曲线（图8）

当目标距离在从焦点的任一侧方向稍微移位时，图像模糊，返回光开始再次进入接收纤维。此动作在NULL的任一侧生成输出信号中的峰值。位移/输出关系将类似于通过直接在反射表面看的相同探针 - Expept的探针现在大约大于之前的100倍。其他模型的光学扩展器可以包含放大因子，以获得更大的灵敏度，同时仍然保持增加的操作间隙的优点。

• 光纤探头

  Fotonic传感器的关键元件是柔性光纤探针，由两组夹套一起夹套以形成一个。主动直径可以小至0.007英寸（0.177mm），使其非常适合测量小目标。为了提供各种灵敏度和测量范围MTII提供了三种标准光纤探头配置，如图9所示。这些配置由探头尖端中的发射和接收光纤丝的分布来确定。

  光纤探头配置（图9）

  

  随机光纤分布是发送和接收光纤的随机混合。随机图案的光纤传感器由于相邻光纤相互作用密切，位移灵敏度高，但测量范围短。

  半球形的纤维分布将发射和接收纤维分为两组，探针尖端的一半由发射纤维组成，另一半由所有接收纤维组成。半球探针尖端提供了一个长范围，但低位移灵敏度。

  内部光纤分布的同心发射包含一组位于探针尖端的中心的透射纤维，周围的接收纤维的同心组。该光纤探头布置提供高灵敏度/短距离探针纤维和远程/低灵敏度半球探针纤维之间的中间选择。由于它们对称布置，这种探针的倾斜目标的影响较小。

  图10概述了不同光纤配置的相对性能。

  不同光纤传感器配置的相对性能(图10)

  

  MTII还提供特殊的光纤边缘(或阴影)探头。在这些排列中，光纤分布包含与接收光纤组相对的传输光纤组。发送包和接收包可以是随机的，也可以是半球形的，这取决于应用程序所需的性能。在纤维束之间的间隙中放置一个细的或窄的靶。当目标在这些束之间移动时，阴影投射到接收纤维上，造成接收光强度的变化。与标准的光纤探头一样，这将转换为MTI-2100光子传感器的电压输出变化，这与边缘位置有关。这种配置特别有效地测量计算机磁盘、磁带的跳动或薄超声波喇叭的位移。束直径范围从0.02“(0.5 mm)到0.09“(2.3mm)，响应如图11所示。

  光纤边缘探头的典型响应曲线(图11)

  

  除了使用定制的边缘探头，标准的光纤反射类型也可以用来测量目标边缘的横向移动或振动。由于光学峰值是性能曲线上的一个拐点，它是一个光纤传感器接收到的光不会随着小目标位移而改变的区域。利用这一特性，传感器可用于测量反射率或边缘位置的变化，而不受法向运动的影响。通过将目标穿过探头表面，产生一个独特的输出曲线，可以用来精确地确定位置。图12显示了光纤传感器与侧面边缘位置的两个输出示例。注意，可以通过将探头定向90度来获得不同的灵敏度。不同的光纤分布也产生不同的灵敏度，允许传感器满足各种应用要求。

  光纤传感器对目标横向运动的响应曲线(图12)

  

  反射补偿光纤探头由三组光纤组成，如图13所示。第一组由位于中心的随机束组成。这个束的侧面是两组接收纤维，每组都有不同的数值孔径。这两个独立的接收束允许对不同的表面反射率进行补偿，而不需要像使用标准光纤探头那样进行校准。由于它们具有反射补偿能力，对有横向运动的目标的位移测量特别有效。反射率补偿探头也可以通过光学扩展器工作，提供类似的探头操作间隔的增加，并具有反射率补偿的额外好处。

  反射补偿光纤传感器的典型响应曲线(图13)

  

  特定探针配置的选择取决于应用程序的需求。表1概述了不同探头直径和光纤排列的性能。从表中可以看出，“随机”样式的探针的灵敏度大约是“半球形”探针的5-10倍。在线性范围内也存在类似的减小。同样重要的是要注意，信噪比随着光纤束直径的增大而增大。这是因为探针内的纤维数量增加了，从而改善了光收集。

  光纤探头模块规格(表1)

  

  自定义探测配置可用于专门应用。请联系MTII的应用工程师寻求帮助。

  表面反射率和压力

  光子传感器可用于监测表面反射率的变化和/或光通过介质传输的变化。这对于表面光洁度比较和表面缺陷检测应用是有用的。此外，光纤传感器可用于压力监测应用，变化的压力改变目标的位置或反射率。光纤传感器的非接触、无滞后特性使其特别适合于传感器和高频应用。光纤传感器也可以在几乎任何气体或液体介质中工作。真空或压力套管可以建立在光纤探头束，甚至探头尖端本身，使光子传感器用于压力/真空应用。