反射面對(duì)光強(qiáng)調(diào)制特性的影響

反射面對(duì)光強(qiáng)調(diào)制特性的影響

1反射式光纖傳感器位移檢測(cè)函數(shù)反射強(qiáng)度調(diào)整器具有靈活動(dòng)慢、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受電磁干燥等特點(diǎn)。強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)是反射式光纖傳感器進(jìn)行位移量檢測(cè)的重要依據(jù)。由于其測(cè)量結(jié)果極易受光纖固有結(jié)構(gòu)參數(shù)2光纖調(diào)制函數(shù)及反射問題光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)曲線主要由接收光強(qiáng)值與發(fā)送光強(qiáng)值的比值及被測(cè)物體反射面與光纖探頭端面的距離決定。通過(guò)光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)值的變化，可以計(jì)算出位移的變化量。而在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，影響光纖傳感器光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)的因素很多，絕大部分因素是光纖傳感器系統(tǒng)固有的，如發(fā)送光纖和接收光纖的芯徑及數(shù)值孔徑，發(fā)送光纖與接收光纖的纖芯中心距，以及反射面特性和光纖探頭端面到被測(cè)物體反射面的距離等。因此光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)可表示為與系統(tǒng)固有因素相關(guān)的函數(shù)：式中，r當(dāng)反射面為粗糙表面，光在被測(cè)物體表面發(fā)生漫反射時(shí)，且假設(shè)發(fā)送光纖出射光強(qiáng)為高斯分布，此假設(shè)下強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)可表示為接收光纖接收的光功率與發(fā)送光纖發(fā)送的光功率之比，即：當(dāng)發(fā)送光纖出射光強(qiáng)為高斯分布時(shí)，其光強(qiáng)隨距離的變化表示為式中，P式中，θ式中，h為反射面的粗糙度，當(dāng)h=0，反射面為理想鏡面，反射光線遵循幾何光學(xué)規(guī)律；實(shí)際測(cè)量中，反射除了與反射面粗糙度有關(guān)，還與反射物體自身材料及其表面加工方式等有關(guān)，通常把這些影響因素統(tǒng)稱為反射率，用γ表示。接收光纖接收到的反射回來(lái)的光強(qiáng)相當(dāng)于發(fā)送光纖發(fā)送到距離2d處的光強(qiáng)與反射面反射率的乘積，即接收光纖接收到的光強(qiáng)為接收光纖接收到的光功率為式中，S綜上所述，可以得出隨著光纖探頭到被測(cè)物體反射面距離d的變化，強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)表達(dá)式為3對(duì)強(qiáng)度適應(yīng)性函數(shù)曲線的模擬分析3.1反射面粗糙度對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律在其他參數(shù)不變的情況下，改變反射面的粗糙度h，分析研究光在反射面發(fā)生鏡面反射及漫反射時(shí)對(duì)調(diào)制函數(shù)的影響。h=0可視為理想鏡面反射，h=5可視作極粗糙表面，光在該表面發(fā)生漫反射。通過(guò)Matlab仿真分析反射面發(fā)生鏡面反射及漫反射時(shí)對(duì)光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)特性曲線的影響規(guī)律。參數(shù)設(shè)置為反射率γ=0.5，光纖數(shù)值孔徑為NA=0.4，芯徑半徑r由圖1可以得出，當(dāng)光纖傳感器光在反射面發(fā)生鏡面反射時(shí)調(diào)制函數(shù)曲線明顯高于漫反射表面，且調(diào)制函數(shù)值均高于漫反射表面，前后坡線性區(qū)間及靈敏度都優(yōu)于漫反射表面的調(diào)制函數(shù)曲線。分析研究當(dāng)反射面既包含鏡面反射又包含漫反射的情形，依次改變反射面的粗糙度h。在其他參數(shù)不變的情況下，即反射率γ=0.5，光纖數(shù)值孔徑為NA=0.4，芯徑半徑r由圖2得出，依次增大反射面粗糙度，即光在反射面發(fā)生漫反射增多時(shí)調(diào)制函數(shù)曲線呈下降趨勢(shì)，調(diào)制函數(shù)峰值依次減小，線性區(qū)間及前后坡靈敏度都隨著反射面粗糙度的增大而減小。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)反射面粗糙程度依次為光滑鏡面、輕微粗糙表面、比較粗糙表面及非常粗糙表面時(shí)，光纖傳感器的強(qiáng)度調(diào)制特性依次降低，用于測(cè)量的線性區(qū)間減小，靈敏度降低，不利于光纖傳感器的實(shí)際測(cè)量。3.2光纖單次接收因素對(duì)光纖調(diào)制特性影響的數(shù)值分析從反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)M的表達(dá)式可看出，影響光強(qiáng)調(diào)制特性的因素除了與表面粗糙度有關(guān)外，還與發(fā)送與接收光纖的纖芯半徑、纖芯軸間距、光纖數(shù)值孔徑、光纖探頭到反射面的距離等有密切聯(lián)系，以下分析研究當(dāng)反射面為漫反射表面時(shí)（反射率γ=0.5，粗糙度h=5），光纖各結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)對(duì)光強(qiáng)調(diào)制特性的影響。3.2.1光纖間隙的影響當(dāng)反射面為漫反射表面時(shí)，在其他參數(shù)不變的情況下，改變發(fā)送光纖與接收光纖的纖芯軸間距p，通過(guò)Matlab仿真分析傳感器接收和發(fā)送光纖纖芯軸間距參數(shù)對(duì)光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)特性曲線的影響規(guī)律。光纖數(shù)值孔徑為NA=0.4，芯徑半徑r從仿真結(jié)果可知，在其他參數(shù)不變的前提下：1）隨著纖芯軸間距的增加，接收光纖接收到的反射回來(lái)的信號(hào)光減少，光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)隨之減小；2）隨著纖芯軸間距的增加，光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)曲線呈下降及后移趨勢(shì)，峰值距離隨軸間距的增加呈逐漸增大趨勢(shì)，且前坡靈敏度逐漸減小。由此分析得出光纖探頭纖芯軸間距應(yīng)越小越好，即發(fā)送光纖與接收光纖在條件允許范圍內(nèi)應(yīng)緊密排列。結(jié)果表明光纖探頭纖芯軸間距主要影響光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制特性曲線的前坡靈敏度及其峰值調(diào)制函數(shù)大小，因此在傳感器的實(shí)際應(yīng)用中可盡量減小光纖探頭的纖芯軸間距來(lái)提高傳感器測(cè)量靈敏度。3.2.2發(fā)送光纖的芯徑對(duì)強(qiáng)度調(diào)制特性的影響當(dāng)反射面為漫反射表面時(shí)，在其他參數(shù)不變的情況下，即光纖數(shù)值孔徑為NA=0.4，芯徑半徑r從仿真結(jié)果可知，在其他參數(shù)不變的前提下：1）增大發(fā)送光纖的芯徑，光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)曲線呈前移趨勢(shì)，起始距離隨之減小，測(cè)量死區(qū)減??；2）增大發(fā)送光纖的芯徑，光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)曲線趨勢(shì)變化緩慢，峰值及前坡靈敏度基本不變，峰值距離呈減小趨勢(shì)。由此可知，發(fā)送光纖的芯徑主要影響起始距離及測(cè)量死區(qū)，因此在傳感器實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量選擇小芯徑的發(fā)送光纖來(lái)獲得較高的前坡測(cè)量靈敏度。3.2.3接收光纖的芯徑對(duì)強(qiáng)度調(diào)制特性的影響同理，當(dāng)反射面為漫反射表面時(shí)，在其他參數(shù)不變的情況下，光纖數(shù)值孔徑為NA=0.4，芯徑半徑r從仿真結(jié)果可知，在其他參數(shù)不變的前提下：1）隨著接收光纖的芯徑增加，光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)曲線呈上升及前移趨勢(shì)，測(cè)量死區(qū)減小，調(diào)制函數(shù)值及峰值距離逐漸增大；2）增大接收光纖的芯徑，曲線線性范圍變大，前后坡靈敏度隨之上升。仿真結(jié)果說(shuō)明，接收光纖的芯徑主要影響的是調(diào)制特性曲線的峰值距離及調(diào)制函數(shù)峰值，線性范圍和靈敏度。因此，傳感器實(shí)際應(yīng)用時(shí)在測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合應(yīng)選擇大芯徑的接收光纖。3.2.4光纖數(shù)值孔徑角對(duì)強(qiáng)度調(diào)制特性的影響當(dāng)反射面為漫反射表面時(shí)，在光纖對(duì)其他參數(shù)不變的前提下，即芯徑半徑r從仿真結(jié)果可知，在其他參數(shù)不變的前提下：1）增大光纖數(shù)值孔徑角，光強(qiáng)調(diào)制特性曲線隨之前移，測(cè)量死區(qū)減小，起始距離和峰值距離都明顯減小；2）增大數(shù)值孔徑角，傳感器的前后坡靈敏度顯著提高，但線性范圍變小。仿真結(jié)果說(shuō)明光纖的數(shù)值孔徑角主要影響峰值距離，峰頂寬度和靈敏度。在光纖傳感器實(shí)際應(yīng)用中在確定測(cè)量線性范圍的前提下應(yīng)選擇較大數(shù)值孔徑的光纖來(lái)提高測(cè)量靈敏度。4光纖傳感技術(shù)本文通過(guò)理論分析建立了當(dāng)發(fā)送光纖纖端光強(qiáng)為高斯分布且反射面發(fā)生漫反射時(shí)光纖傳感器光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)模型，由強(qiáng)度調(diào)制特性分析總結(jié)出在實(shí)際光纖傳感器的設(shè)計(jì)中，為了提高精度，收發(fā)光纖纖芯軸間距應(yīng)盡量取小，發(fā)送光纖芯徑應(yīng)減小，接收光纖及光纖數(shù)值孔徑在滿足測(cè)量范圍的前提下應(yīng)盡量取大。不同的光纖參數(shù)對(duì)應(yīng)著不同的強(qiáng)度調(diào)制特性，在反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體的要求選擇合適的光纖參數(shù)，以達(dá)到理想的測(cè)量要求。光纖傳感方面的研究在國(guó)內(nèi)很早就開始，但成品不多，未形成規(guī)模性的生產(chǎn)及應(yīng)用。對(duì)于高精度高性能的光纖傳感器基本是實(shí)驗(yàn)室研究階段，其實(shí)用化將是今后的研究熱點(diǎn)。式（10）即是當(dāng)發(fā)送光纖出射光強(qiáng)為高斯分布時(shí)，且反射面為粗