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采用先进的光纤和电子技术，以精确测量位移，位置和振动。它设置了新的性能标准，分辨率高达0.01μIN。（2.5埃）和直接耦合（DC）高达500 kHz的频率响应。

• 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）

如果你绘制一个输出电压(与接收到的光强度成正比)与目标和光纤传感器之间的距离的曲线，你会发现当探针接近目标时，关系是非常敏感的。这一高度敏感区域称为性能曲线的前坡(图5)，典型值如表1中的Range 1所示。

光纤探头响应曲线(图5)

增加距离进一步导致图4中的照明区域（a）放大，增加由接收纤维（B2）看到的反射光的量。最终，区域B2变得饱和，表明纤维正在接受可能的最大光量。此时，MTI-2100毡传感器产生最大电压输出。该顶点称为光学峰值。初始电压上升和最大输出发生的位移范围是尖端的探针直径和数值孔径（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面。

光纤探头曲线曲线到不同的目标反射率（图6）

曲线A：如果目标反射率高，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，使其与校准过程中MTII的振幅(曲线B)相匹配，可以复制前斜坡和后斜坡。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，则可以进一步增加光强度。例如，灯强度的20倍增加成比例地将光纤探头灵敏度提高20倍。这很容易通过电子电路通过硅光电二极管监测灯强度的电子电路来实现。硅光电二极管是线性的，在几个峰值光强度上，所以可以通过电子控制完全选择各种敏感性。另外，灯监视器光电二极管可用于电子伺服控制以保持灯强度恒定，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 Optical Extender2(图7)，Fotonic传感器还可以在更大的距离下工作。这可以将光纤探头发出的光聚焦到最前方镜头前方约0.32英寸(8mm)的点上。

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）

  

  一个随机的光纤分布是一个随机混合的发射和接收光纤。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。

  半球形光纤分布将发送和接收光纤分为两个不同的组，探针尖端的一半由发送光纤和另一半所有接收光纤组成。半球探头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，阴影投射在接收纤维上，引起接收光强度的变化。与标准光纤探头一样，MTI-2100光子传感器输出电压的变化与边缘位置有关。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。

  光纤边缘探针的典型响应曲线（图11）

  

  除了使用定制的边缘探针之外，还可用于测量目标边缘的横向移动或振动的标准光纤。由于光学峰值是性能曲线上的拐点，因此光纤传感器的接收光不会随着小的目标位移而改变的区域。利用该特征允许传感器用于测量边缘的反射率或位置的变化，与正常方向上无关。通过穿过探针的目标，面部产生独特的输出曲线，并且可以用于精确地确定位置。图12示出了光纤传感器的输出的两个示例，该输出具有横向边缘位置。注意，通过使探针90度定向，可以获得不同的敏感性。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。

  光纤传感器响应曲线到横向目标运动（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。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。反射率补偿探头也可以通过光学扩展器工作，提供类似的探头工作间隙增加，还有反射率补偿的额外好处。

  典型的反射补偿光纤传感器响应曲线(图13)

  

  特定探测配置的选择取决于应用要求。表1概述了不同探头直径和纤维布置的性能。从桌面上，您将看到“随机”样式探头的灵敏度大约比“半球形”探针更好的5-10倍。也存在类似的线性范围的减少。同样重要的是要注意，信噪比随着较大直径的光纤束而增加。这是因为探头内的纤维数量增加，导致光收集改善。

  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

  饲养传感器可用于监视表面反射率的变化和/或通过介质的光传输的变化。这对于表面光洁度比较和表面缺陷检测应用是有用的。另外，光学传感器可以用于压力监测应用，其中变化压力改变目标的位置或反射率。光纤传感器的非接触式无滞后特性使它们特别适用于换能器和高频应用。光纤传感器也可以在几乎任何气态或液态介质中操作。真空或压力衬套可以沿光纤探针束构建，甚至可以在探针尖端本身上构建，允许饲养传感器用于压力/真空应用。