光纤位移测量

Fotonic™传感器是一种非接触式仪器，采用光纤杠杆¹原理进行位移、振动和表面状况测量(图1)。

毡传感器通过柔性光纤探针透射光束，接收从目标表面反射的光，并将其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。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，频率和波峰。

图2和3中示出了毡传感器的操作。图2示出了当光纤探针靠近目标时，接收纤维（B.）看到的反射光（A）的量（B₂） 是小。然而，当目标进一步远离探针（图3）时，在接收纤维上照射的光量（B₂)增加迅速。在这个范围内，即使是很小的目标运动也会导致接收光的显著增加。

如果绘制电压输出的曲线（与接收到的光强度成比例），请将目标和光纤传感器与光纤传感器之间的距离进行介绍，您会发现当探头接近目标时关系非常敏感。这个高度敏感的区域被称为前坡进一步增加距离会导致被照亮的面积(A)增大，从而增加接收光纤看到的反射光量(B)₂）。最终，地区b₂变得饱和表明纤维接受最大的光量。此时，MTI-2100毡传感器产生最大电压输出。此顶点称为光学峰。初始电压上升的位移范围和最大输出发生的位置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。

调整光学峰的振幅提供了检测和表面条件比较所需的输出灵敏度。它还用于校准每个探头，以复制在MTII建立的灵敏度因子。图5显示了三种不同的反射面。

• 曲线A:目标反射率较高时仪器响应曲线。
• 曲线B:校准的仪器响应曲线。
• 曲线C:目标反射率较低时仪器响应曲线。

注意，光峰出现在相同的操作距离为每个三个样品。通过调整这个峰值的振幅以匹配校准过程中MTII设置的振幅(曲线B)，可以复制前坡度。这个斜率，或灵敏度值，存储在MTI-2100插入模块的内存中，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”到您的特定目标反射率。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”按钮调整透射光强度。

如果需要更高的灵敏度，可以进一步提高光强。例如，灯的强度增加20倍，探头的灵敏度相应增加20倍。这可以很容易地完成，通过一个硅光电二极管监测灯的强度的电子电路。硅光电二极管在光强度的几个数量级上呈线性，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也可以用于电子伺服控制，以保持灯的强度恒定，从而确保稳定的位移读数。

目标进一步远离探头会导致接收光纤所看到的反射光强度的损失(B₂)，并导致输出电压下降。这条曲线的面积叫做后坡区域（图4）。每个插入式模块存储每个光纤传感器的前后斜率的灵敏度因子，提供两个不同的操作区域。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。

电感传感器还可以通过使用MTII的KD-LS-1A光器将在更大的距离距离处运行²(图6)。这将来自探测器的光聚焦在距离最前方透镜前方约0.32英寸处。

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传输，并在探针面上重叠。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。光线下降在仪器的输出信号中产生急剧缺点（图7）。

当目标距离在从焦点稍微向任一方向上稍微移位时，图像被模糊，返回光开始进入接收纤维。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所获得的关系 - expept，即距离距离现在大于以前的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

光纤传感器的关键元件是柔性光纤探头，该探头由两组光纤夹套在一起形成一组光纤。活动直径可以小到0.007英寸(图8)，使它们非常适合测量小目标。为了提供广泛的灵敏度和测量范围，MTII提供了三种标准光纤探头配置如图9所示。这些配置是由在探针尖端的发射和接收光纤细丝的分布决定的，如图9所示。

一种随机光纤分布是发送和接收光纤的随机混合。由于相邻光纤之间的紧密相互作用，具有随机光纤图案的光纤传感器具有高位移灵敏度，但测量范围较短。

一种半球形纤维分布将透射和接收纤维分离成两个不同的基团，其中探针尖端的一半由透射纤维和另一个接收纤维组成。半球形探头提示提供较长的范围，但低位敏感性。

一种内部同心发射光纤分布包括位于探针尖端中心的一组发射光纤，其周围环绕着一组同心接收光纤。这种光纤探针布置提供了高灵敏度/短距离随机探针光纤和长程/低灵敏度半球形探针光纤之间的中间选择。由于其对称的排列方式，这种探针受到倾斜目标的影响较小。

MTII还提供特殊的光纤边缘(或阴影)探头。在这些排列中，光纤分布包括与接收光纤组相对的传输光纤组。发送和接收束可以是随机的或半球形的，这取决于所需的应用程序性能。在纤维束之间的间隙中放置一个细的或狭窄的目标。当目标在这些束之间移动时，阴影投射在接收的光纤上，导致MTI-2100接收的光强度和电压输出的变化，这可以与边缘位置相关。这种配置特别有效地测量磁盘的跳动或细长超声变幅的位移。束直径范围为0.02“到0.09”。

反射补偿束由三组纤维组成。第一组由位于中心的随机束组成。束的两侧是两组接收光纤，每组都有不同的数值孔径。两个单独的接收束允许对不同的表面反射率进行补偿，无需像标准光纤探头那样进行校准。由于其反射率补偿能力，它们特别有效地测量有横向运动的目标的位移。反射补偿探头也通过光学扩展器工作，从而增加了僵局。

特定探针配置的选择取决于应用程序的需要(表1)。专用应用程序可以使用自定义探针配置。请联系MTII的应用工程师寻求帮助。

表面反射率和压力

该光子传感器可用于监测表面反射率的变化和/或通过媒体的光传输的变化。这对于表面光洁度比较和表面缺陷检测应用很有用。此外，光纤传感器可用于压力监测应用，其中变化的压力改变位置或目标的反射率。光纤传感器的非接触、无迟滞特性使其特别适合于传感器和高频应用。^4.光纤传感器也可以在几乎任何气态或液态介质中操作。

参考文献

1. 厨师，r.o.和哈姆，C.W.，“光纤杠杆位移换能器”，应用光学，第18卷，第3230页，1979年10月1日。
2. 光纤位移测量装置，S. Pat, 3,940,608, 2月24日，1976。
3. Patton，E.和Trethewey，M.W.，“超级大级结构的非侵入式模态分析技术”，5^th国际莫代尔分析会议，1987年4月6日至9日，英格兰伦敦帝国科技学院。
4. Crispi, f.j.， Maling, g.c.， Jr.，和Rzant, A.W.，“超声波焊接设备中的微位移监测”，下午中国研发杂志，卷。16，第3号，1972年5月。