基于反射式塑料光纤传感器的微位移测量技术研究

贾旻，孙伟

（中北大学，山西太原，030051；2.66068部队，山西太原，030051；3.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原，030082）

基于反射式塑料光纤传感器的微位移测量技术研究

贾旻1，2，孙伟3

（中北大学，山西太原，030051；2.66068部队，山西太原，030051；3.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原，030082）

近年来，高精度的位移测量精度要求越来越高，为响应这一需求，本文依据待测位移量可由反射光强变化得出的原理设计了一种基于塑料光纤的位移传感器。本文所涉及的光纤位移传感器以静态拉伸式杨氏模量测量实验中钢丝长度的微小变化为待测量进行设计。在整个传感器系统制作完成后，结果显示，在0～3mm 的位移范围内，测量输出与实际位移成线性关系且线性度为0.6%，在较大位移区间内实现了具有良好线性度的测量，同时，根据实验结果测得灵敏度为2.13mV/μm，保证了测量的精准度。这种设计方法的使用扩大了塑料光纤的应用领域，同时，优化了传感器的精准度和线性化精度等性能指标。,

微位移测量；塑料光纤；光纤位移传感器

0 引言

该微位移测试系统引入杨氏模量来表征固体材料抵抗纵向弹性形变的能力。杨氏模量是工程设计上选材时需考量的重要参数之一，它是一个重要的表征固体材料性质的物理量，通常情况下只与材料的性质和温度有关。实验测定杨氏模量的方法很多，如拉伸法、弯曲法和振动法。本文中涉及的基于反射式塑料光纤传感器的微位移测量系统为用静态拉伸法测定金属丝的杨氏模量提供了一种实时数据处理的方法。同时，根据要求.理论推导出杨氏模量测量公式，给出了位移特征曲线。

本系统的硬件模块主要由模数转换部分和通信传输部分组成，主要实现对两路数据信号的采集、上传、显示和存储功能。主要包括：模数转换模块、数据传输模块、主控模块、上位机显示存储等部分。微位移测量系统框图如图1所示。

图1 微位移测量系统框图

图2 反射式光纤位移传感器原理图

1 微位移检测系统基本原理

1.1 反射式光纤位移传感器工作原理简述

反射式光纤位移传感器的工作原理简单、设计灵活，价格低廉，并且已经在许多物理量（如位移、压力、振动、表面粗糙度等）的测量中获得了广泛应用。最简单的反射式光纤位移传感器的结构包含光源、传输光纤（入射光纤与接收光纤）、反射面以及光电探测器。反射式光纤位移传感器的基本工作原理如图2所示。

光纤传感探头接收到来自光源的光后,光束经入射光线射向被测物的表面，光纤传感探头的接收光纤接收到从被测物表面反射回的光束，此时光强会随着光纤探头到被测物表面的距离大小而变化，后续电路将接收光纤的光强信息转换为电信号进行处理，进一步通过分析光强度变化和位移之间的关系，对二者关系进行建模，得出光强调制特性曲线，最后得到光纤传感探头到待测物体之间位移量[1]。

1.2 反射式光强调制原理分析

在其他外界因素不变的情况下，光纤间距、芯径、数值孔径等光纤参量都直接影响光强调制特性，因此定义光强调制函数F是接收光功率Pr和发送光功率Pi之比，即：F=，耦合到接收光纤的光通量由入射光纤的反射光堆底面与接收光纤的重叠面积来确定。重叠面积可通过Γ函数精确计算出，或可通过几何推导及线性近似法得出从被测物表面反射回的光堆照射到接收光纤端面上的面积与纤芯面积之比：

由几何关系可以计算得到

由此，接收光功率与发生光功率之比为：

其中，δ=2xtanθ-d-2r，δ随x的变化而变化。

显而易见，F是关于目标待测位移x的函数，表征了反射光强调制特性，在外界测量条件不变，即其它参量不变的前提下，可将对待测位移的测量转换为反射光强度的测量，这正是设计本文所涉及的反射式光纤位移传感器的理论依据。

2 反射式光纤位移传感器总体设计

2.1 传感器探头结构设计

本文中的反射式光纤传感探头为了兼顾灵敏度和线性度，采用两束发射光纤一束接收光纤的组合结构，其中一束发射光纤以平行于接收光纤的方向放置，另一束发射光纤与接收光纤之间呈一定角度。同时，考虑到传统的石英光纤模间噪音大，抗电磁干扰能力弱等缺陷，本文采用了芯径粗、电隔离、坚固耐用、成本低的塑料光纤来代替石英光纤。光纤探头结构端面图如图3所示。

图3 光纤探头结构端面图

2.2 反射式光纤位移传感器的电路设计

反射式塑料光纤位移传感器主要组成部分除了上述的光纤传感探头外，还包括信号处理电路，本文所涉及的被测对象是微位移，通过检测反射光强度的微小变化来间接测量待测位移，因此，本文中的信号处理电路主要针对微弱信号来设计，其电路设计如图4所示。

图4 反射式光纤位移传感器的电路设计框图

该系统主要包括三个部分：光源驱动电路部分，光电检测部分和信号处理部分。驱动电路部分主要完成对LED电路的驱动控制，根据所选择的LED选择合适的驱动方式，保证光源能有稳定的光功率输出，进行适当的温度补偿。光电检测部分主要是进行光电转换，将接收光纤的调制光转换为电信号，转换精度对整个测试系统的精度有重要影响，因此，应为后续信号处理电路提供较干净的信号，尽可能减小噪声对系统的影响。同时,由于被测信号本身十分微弱,常混杂在噪声中,因此必须进行放大滤波等相应的微弱信号处理,将被测信号提取出来。

图5 实验与拟合曲线图

3 验证

反射式塑料光纤位移传感器的前沿区其线性度较好，因此在这一区域设置检测点，在各个测点处，分别测出位移量以及所对应的输出电压，实验结果显示，反射式塑料光纤位移传感器在0～3mm的量程范围内[2]，其线性化程度较高，线性度为0.6% ，绝对误差均值为0.0024mm，实测灵敏度为2.13mV/μm，传感器实验曲线与拟合直线如图5所示。

当位移量为0时，传感器的接收光功率为0，接收光功率随位移量的增加而增大，二者呈线性正相关的关系。当反射光堆全部照射到接收端面时，接收光功率达到最大值。

4 总结

本文所设计的反射式塑料光纤位移传感器通过采用两发送一接收的组合结构对光纤传感探头进行设计和制作，这不仅扩大了塑料光纤的应用范围，同时，减小了传感器在测量过程中引入的测量误差，极大限度的提升了传感器测量精度，满足了对线性化程度和灵敏度的双重要求。

[1]杨秋虎.基于强度调制的光纤位移传感器信号处理技术研究及电路实现[D].华中科技大学, 2011.

[2]张云剑.高精度反射式塑料光纤位移传感器探究[J].电子制作,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;