光纤传感器

Fotonic Sensor™是一种非接触式仪器，使用光纤杠杆原理来进行位移测量，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，可精确测量位移、位置和振动。它设定了新的性能标准，分辨率高达0.01µin。(2.5埃)和频率响应从直接耦合(直流)高达500 kHz。

• 光子传感器的工作原理如图3和图4所示。图3显示，当光纤探头安装在目标附近时，接收光纤(B2)看到的反射光(a)量很小。然而，随着目标移动到离探针更远的地方(图4)，照射到接收纤维上的光量(B2)迅速增加。在这个范围内，即使是微小的目标移动也会引起接收光量的显著增加。

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）

如果你绘制出电压输出(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，你会发现当探头接近目标时，这种关系是非常敏感的。这个高度敏感区域称为性能曲线的前斜率(图5)，典型值如表1中Range 1所示。

光纤探头响应曲线(图5)

进一步增加距离会使图4中的被照亮区域(A)扩大，从而增加接收光纤(B2)看到的反射光量。最终，B2区域变得饱和，这表明纤维接受了尽可能多的光。此时，MTI-2100光子传感器产生最大电压输出。这个顶点称为光学峰。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数值孔径(N.A.)的函数，而不是表面反射率。

调节光学峰值的振幅可以提供检测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。

光纤探头对不同目标反射率的响应曲线(图6)

曲线A:目标反射率高时的仪器响应曲线。

曲线B:校准后的仪器响应曲线。

曲线C:目标反射率低时的仪器响应曲线。

注意，光峰出现在三个样品的相同操作距离。通过调整这个峰值的振幅来匹配校准过程中设定在MTII处的振幅(曲线B)，可以复制前斜率和后斜率。这个斜率或灵敏度值存储在MTI-2100插接模块的内存中，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和“自我校准”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“校准”按钮调整透射光强度。

如果需要更高的灵敏度，光强还可以进一步增加。例如，灯的强度增加20倍，光纤探头的灵敏度就会相应增加20倍。这很容易通过通过硅光电二极管监测灯强度的电子电路来实现。硅光电二极管在几个数量级的光强上是线性的，因此广泛的灵敏度范围完全可以通过电子控制来选择。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。

目标进一步远离探头会导致图4中接收光纤(B2)看到的反射光强度的损失，并导致电压输出的下降。曲线的这一区域称为后坡区域(图5)，典型值如表1中的Range 2所示。每个插件模块存储前和后斜坡的灵敏度因子，为每个光纤传感器提供两个不同的操作区域。一个高灵敏度区域有一个小的对峙和测量范围，另一个低灵敏度区域有一个大的对峙和测量范围。

通过使用MTII公司的KD-LS-1A光学扩展器2(图7)，Fotonic传感器还可以在更大的距离上工作。这将光纤探头的光聚焦到最前方镜头前方约0.32英寸(8毫米)的一点。

KD-LS-1A光纤探头扩展器(图7)

当KD-LS-1A的前方到反射目标的距离近似等于透镜组件的焦距时，反射目标的表面就会出现探测面图像。该图像通过KD-LS-1A传输回来，并在光纤探头表面重新成像。这导致返回的光进入传输纤维，并显著减少了投射到接收纤维上的光。光线的减少在仪器的输出信号中产生一个锐利的零，如图8所示。

KD-LS-1A光纤探头扩展器与标准探头的对比响应曲线(图8)

当目标距离从焦点向任意方向轻微偏移时，图像就会模糊，返回的光开始再次进入接收纤维。这个动作在输出信号的任何一边产生一个峰值。位移/输出关系将类似于用相同的探针直接观察反射表面所得到的结果，除了距离现在是以前的100倍。其他型号的光学扩展器可以合并一个放大因子，以获得更大的灵敏度，同时仍然保留增加的操作间隙的优势。

• 光纤探针

  光子传感器的关键元件是柔性光纤探头，它由两组光纤灯丝套在一起形成一个。活动直径可以小到0.007英寸(0.177毫米)，使它们非常适合测量小目标。为了提供各种各样的灵敏度和测量范围，MTII提供了如图9所示的三种标准光纤探头配置。这些结构是由探头尖端的发射和接收光纤细丝的分布决定的。

  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。具有随机光纤图案的光纤传感器由于相邻光纤之间的密切相互作用，具有较高的位移灵敏度，但测量范围较短。

  半球形光纤分布将发射和接收光纤分为两组不同的光纤，探针尖端的一半由发射光纤组成，另一半由所有接收光纤组成。半球形探针针尖提供一个长范围，但低位移灵敏度。

  一种同心发送内部光纤分布包括一组位于探头尖端中心的发射光纤，该发射光纤被一组同心接收光纤所包围。这种光纤探头装置提供了高灵敏度/短距离随机探头光纤和长程/低灵敏度半球形探头光纤之间的中间选择。由于它们的对称布置，这种类型的探头较少受到倾斜目标的影响。

  图10概述了不同光纤结构的相对性能。

  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。在这些结构中，光纤分布包含与光纤接收组相对的一传输组光纤。根据应用程序所需的性能，发送和接收包可以是随机的，也可以是半球形的。在纤维束之间的空隙中放置一个细的或窄的靶。当目标在这些束之间移动时，一个阴影投射在接收纤维上，导致接收光强度的变化。与标准光纤探头一样，这转换为MTI-2100光子传感器电压输出的变化，这与边缘位置有关。这种结构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。管束直径范围从0.02″(0.5 mm)到0.09″(2.3mm)，响应典型如图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运动或振动。由于光峰是性能曲线上的一个拐点，它是光纤传感器接收到的光不随小目标位移而变化的区域。利用这一特性，传感器可以用来测量反射率或边缘位置的变化，而不受法向运动的影响。通过遍历目标在探头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显示了两个光纤传感器输出与横向边缘位置的例子。注意，通过将探头定位90度，可以获得不同的灵敏度。不同的光纤分布也产生不同的灵敏度，使传感器能够满足各种应用要求。

  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。第一个集合由位于中心的随机束组成。在这个束的侧面是两套接收纤维，每一套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进行补偿，消除了标准光纤探头校准的需要。由于它们具有反射补偿能力，特别适用于测量横向运动目标的位移。反射补偿探头也通过光学扩展器工作，提供了类似的探头工作间隙的增加，并增加了反射率补偿的好处。

  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方式的性能。从表中可以看到，“随机”样式探测的灵敏度大约是“半球形”探测的5-10倍。在线性范围内也存在类似的下降。同样值得注意的是，信号噪声比随直径的增大而增大。这是因为探针内的纤维数量增加，从而改善了光线收集。

  光纤探头模块规格(表1)

  

  定制探针配置可用于特殊应用程序。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/或光通过介质的传输变化。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，其中变化的压力会改变目标的位置或反射率。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。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沿着光纤探头束，甚至在探头尖端本身，允许Fotonic传感器用于压力/真空应用。