具有反射率及亮度补偿功能的光纤振动计

    0 引言

    激光干涉测量系统被广泛应用于机械构造的分析测试中。这些系统在测量过程中不需要向被测构造添加质量块或对被测构造作任何改动。但它们的推广使用却受到其高成本的限制[1-2]。

    光纤在构成可靠的低成本、高精度传感器方面具有很大优点[3]。光纤传感器被广泛应用于复杂环境条件下物理量的检测、工业装置中物体位置及运动的检测。光纤位移测量技术是一种具有亚纳米级分辨率、高柔韧性、宽带的非接触测量方法[4。这种类型的传感器的最大局限是对被测体表面反射率敏感。在文献[4-11]中介绍了使用两组接收光纤来减小亮度变化所造成影响的补偿方法。这些方法或是基于两组光纤后接光子探测器的输出比值[5-10],或是基于光子探测器输出的差值信号和加和信号的比值[4,11]。然而,在文献[4,6-11]中没有关于动态测量的介绍。在文献[5]中,补偿是通过将探头放置在一组接收光纤具有峰值响应的位置上。这一方法极大地限制了位移的测量范围。在文献[2,12]中,中村健太郎等提出了一种用于结构体振动强度测量的具有自动标定功能的光纤位移测量阵列。为了实现光纤位移测量阵列的标定,利用安装在底座上的两个多层压电执行元件使光纤所在的测量面精确地发生位移。然而这种自动标定系统对于单点振动测量来说太笨重了。

    1 测量原理

    1.1 传统的光纤式位移计的测量原理

    传统的光纤式位移计的光纤探头由1根(或1组)发射光纤1根(或1组)接收光纤组成,见图1。因为工作机理是基于接收光亮度的变化,所以不要求使用极点干光源。发光二极管发出的光经发射光纤传送,在被测表面上形成一个圆形的光点。反射光线中的一部分被与发射光纤处于同一平面的接收光纤所捕获。这些光线沿接收光纤传送,并被光电二极管探测到。  当发射光纤和接收光纤与被测表面接触时,没有光被反射到接收光纤中。被接收光纤捕获的光亮度首先随距离的增加而增加,达到最大值,然后减少。Cook R O,Hamm[13]C W和Shimamoto A,Tanaka[14]K导出了这种类型的传感器的几何分析。

    如图2所示,测量输出-被测表面位移关系曲线可分为3个部分。曲线的前面是常规的工作区域,在这一区域内可获得灵敏的、线性输出。曲线的背面也可用于位移测量,因为在这一区域内输出也是探头端面与被测表面间距离的函数。由于背面不如前面陡,相对于前面位移测量范围宽,分辨率差。在这一区域内曲线并非真是线性的,仪器的灵敏度是探头端面与被测表面间距离的函数。曲线的第3个部分是峰值位置附近的区域。在这一区域内,曲线斜率迅速变化,输出不再是位移的线性函数。在峰值位置,输出完全是被测表面反射率的函数,输出的任何变化都是表面反射率变化的结果。