提高激光光纤测量系统分辨力的方法

　　引　言

　　在现代传感测试领域中,激光光纤测试系统以其常规检测技术无法比拟的诸多优点,而成为较理想的测试手段。激光光纤测试系统主要包括三个部分,即激光光源、光纤传感器和光电测试元件。只有这三个部分很好地结合,才能真正发挥整个系统的特点和激光光纤技术的最大潜力。

　　目前与光纤传感相匹配的光源,大多选用半导体激光器,因为半导体激光器体积小、重量轻、电光转换效率高、使用方便[1]。在众多种光纤传感器类型中,强度调制型以其结构简单、安装使用方便及性能价格比高等特点而最早进入实用化和商品化。但其测量精度较低,由于传输光纤中的各种扰动,光源与光纤的耦合以及光纤本身的微弯等因素引起的损耗[2]。本文所介绍的激光光纤测试系统不仅具有结构简单、使用方便、测量精度高等特点,还有补偿环境误差的功能,并有利于传感器结构的小型化。

　　1　测量原理

　　整个系统的测量原理如图1所示。从半导体激光器发出的光经透镜组准直扩束后,耦合到输入光纤中,并照射到被测表面上,由被测面反射的光再进入输出光纤,通过一会聚透镜,由光电接收器接收。通过检测输出光的强度变化,便可确定待测位移的大小。

　　2　稳定LD输出光强的方法

　　本系统采用HL6720G型AlGaInP激光器作为光源。这是一种中心波长为0.67μm的双异晶结构激光器,外壳的气密式封装确保了激光器具有较高的可靠性。其输出光功率为5mW,典型工作电流为35mA。

　　尽管这种激光器具有优良的综合性能,但其输出功率易受电源电压、环境温度等的影响。为了消除外界的干扰,保证激光器输出功率的稳定,本文提出了一种激光器功率自动控制(APC)电路,如图2。

　　此APC回路是通过控制监控用光电二极管的输出电流的一定来保持半导体激光器输出一定的回路。由于通过齐纳二极管固定了在阻抗RF和可变电阻RV上的压降,所以流过这些阻抗的电流(监控输出电流Im和晶体三极管Q1的基极电流Ib之和)也保持一定。

　　激光器工作时,温度上升,所以输出光功率低,Im就会降低。此时,因为Im+Ib是一定的,所以Im减少,Ib就会增加;Ib一增加,晶体管Q1的集电极电流就会增加,从而晶体管Q2的基极电流就会增加。其结果导致半导体激光器的正向电流增大,输出光强增加,Im值增大。因此,象这样通过闭环反馈控制系统稳定了最初设定的Im状态,使输出光强保持一定。

　　3　干扰信号的补偿方法

　　以往光纤传感器探头处光耦合原理如图3所示。由于这样的传感器在测量位移时,存在一个死区d₀,所以限制系统的测量范围,即被测距离d应满足d>d0=a/2T。其中a为两光纤间距。T=tg(sin-1NA)。而且这种传感器只能测量工件外表面尺寸,对沟槽、狭缝、孔径等内尺寸测量的适应性很差。同时,这种传感器还对被测表面反射系数的变化、光源波动等很敏感[3]。为了提高系统抗干扰能力和分辨力,扩大测量范围,本文提出了一种新的设计思想:如图3所示,在垂直纸面方向,并列放置两根光纤,一根为Y型光纤,一根为普通直光纤(X光纤)。两光纤的端面分别进行研磨、抛光成45°斜面。输入光经45°斜面的Y型光纤照射到被测件上,再由被测物表面反射,分别进入Y型光纤的输出端和X光纤中,经光电转换将光强信号送至微机,两路信号相除,以消除误差因素的影响。这种传感器还有利于结构的小型化。