反射式光纤传感器光纤参量对调制系数的影响

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1、第31卷第1期　　　　　　　　　　　　　　光子学报Vol131No112002年1月　　　　　　　　　　ACTAPHOTONICASINICAJanuary2002X反射式光纤传感器光纤参量对调制系数的影响杨华勇　吕海宝　徐　涛　张立军(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南,长沙410073)摘　要　介绍了反射式强度型光纤传感器的光强调制原理,并以最简单的光纤对为基础,仿真研究了光纤参量对光强调制特性的影响规律1给出了这类传感器设计的指导原则1关键词　光纤传感器;调制特性;参量分析;设计原则0　引言　　反射式强度型光纤传感器(RIM2

2、FOS:Re2flectiveIntensityModulatedFiberOpticSensor)具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点,并已在许多物理量(如位移、压力、振动、表面粗糙度1～3等)的测量中获得成功应用1其中最简单的RIM2FOS结构由光源、发送光纤、接收光纤、反射面以及光电探测器组成1由于光纤接收的光强信号是与光纤参量、反射面特性以及二者之间的距离等密切相关的,因而在其它条件不变的情况图1RIM2FOS工作原理示意图下,光纤参量,包括光纤间距、光纤芯径、光纤数值Fig.1PrincipleofRIM2FOS1.2.4.

3、5所示的情况而言孔径等直接影响光纤对的光强调制特性1而,接收光纤所接收到的光通量等讨论由发送光纤和接收光纤组成的光纤对的光强价于将之置于反射面镜象对称处直接接收到的光调制特性是研究这类传感器的基础1通量乘以反射面的反射系数1因此,要求得两光2纤间的光强调制系数M,在发送光纤端面照度均1　光纤对的光强调制系数5匀分布(虽与实际的近似高斯分布的情况存在图1给出了单光纤对的光耦合示意图1设一些差别,但可以将问题简单化,便于研究光纤参r1、r2分别为发送、接收光纤纤芯的半径,p0为两量变化对调制特性的影响规律)的情况下,只要求光纤包层之间的间距

4、,p为两光纤的轴间距(p=得接收光面积与发送光纤投射面积之比,再乘以p0+r1+r2),d是光纤端面到反射面的距离,Q为反射面的反射率即可1在此思路下可导得单光纤6物体表面的反射率,HN为光纤数值孔径角1对图1对光强调制系数的计算公式0(d≤(p-r1-r2)ö2tanHN)22221ö2Uq+arcsin(qsinUör2)r2-pqsinUp-r12r2(p+r2)-r1Q2(

5、d≤)Pq2tanHN2tanHN2p-r1+r2Q(r2öq)(d>)2tanHNX3湖南省科技厅工业科技计划项目(99GKY2009)　收稿日期:20012052161期　　　　　　　　　　　　　　杨华勇等1反射式光纤传感器光纤参量对调制系数的影响75　　式中q和U分别与光纤参量以及d有关1当其它参量保持不变时,M的大小取决于d,二者的关系如图1的曲线所示,其中d0为起始距离,dp为峰值距离,Mp为峰值调制系数1这就是反射式光纤传感器测位移的基本原理12光纤参量对调制特性影响的仿真实验从反射式强度型光纤传感器的光强调制系数M的计算式

6、可看出,影响光强调制特性的光纤参量主要有p、r1、r2、UN1下面分别讨论这几个光纤参量对光强调制特性的影响1211　光纤间距p在其它参量不变的前提下,改变光纤对的轴间距P,仿真研究此参量对光强调制特性的影响规律1其中设定HN=30°,光纤半径r1=r2=100Lm,仿真位移步距为011Lm(下同)1图2～4和表1是数值仿真的结果1从仿真结果可知,在其它条件不变的情况下,加大光纤对轴间距p会使得1)起始距离d0呈近似线性增大,即传感器位移测量死区随p的增大而增大;2)峰值距离dp增加而峰值Mp下降,进而使得传感器的前坡位移灵敏度Sf呈减

7、小趋势1因此,光纤对间距p主要影响传感器位移测图4　光纤轴间距p与d0、Mp、dp和Sf的关系量的死区和前坡灵敏度1在位移测量灵敏度要求Fig.4Relatonshipamongp,d0、Mp、dpandSf表1　光纤对间距变化对光强调制特性影响的仿真结果P0(Lm)d0(Lm)dp(Lm)Mp峰顶宽度(Lm)前坡灵敏度估计Sf(löLm)2300130150112387141142×1023201713153140110684141113×102340341617512010938210019×10236052101961201082

8、80110179×10图2　光纤间距不同时的光强调制特性曲线较高的场合,应该尽量减小对光纤对的轴间距,最Fig.2Intensitymodulationcurveswithdifferentp适宜的情况是让