Page 32 - 网络电信2020年4月刊上
P. 32
解 决 方 案
测法，由于气隙所处的环境是强电磁场环境，其测量效果并不 但是此公式中光场分布等效半径 R(d) 中的调和参数 ζ 相
理想。而光电检测法结构复杂，需对被测表面进一步处理。为 关研究学者没有给出。李程启 [6] 在研究中认为 ζ 为无量纲调
此，进行了基于多圈同轴式光纤位移传感器原理的直驱式风力 和参数，为常数，并取 ζ ＝ 0.001，即
1/2
3/2
发电机气隙检测用光纤传感器系统设计，弥补现有的检测方法 R 1 (d)=r+0.01×r ×d tanθ (3)
的不足。 谢思莹等 [7] 给出了另外一种光斑等效公式，即
3/2
R 2 (d) ＝ｒ＋ ζd tanθ (4)
一、光纤束传感器探头结构设计 并认为调制参数 ζ 无单位，但并不是常数；且做了调制参
为了减少光源功率波动、光纤自身及其他系统元件的变化、 数选取的仿真实验，最终选取 ζ ＝ 0.15。显然，在加法中，２
反射面的不一致等误差，本文采用了张平等 [3] 在研究中的补偿
个加数单位要统一，所以调制参数是有单位的。
方法：将内、外接收２圈的比值作为输出调制函数，其结论表明，
在研究中，为了便于分析，光场分布等效半径采用几何光
输出调制函数完全消除了以上误差。
斑模型，即
由于使用多模光纤接收到的最大光强要比采用单模光纤高
R 3 (d)=r+dtanθ (5)
出１个数量级左右，本文为了提高信噪比拟采用多模光纤结构。
对以上３种等效光斑半径在光纤半径ｒ =400μm，数值孔
给出了光纤探头入射光纤和接收光纤束的排列方式如图１所示。
径 NA=0.12 时做了理论仿真比较，如图２所示。
其中，入射光纤位于中心，同轴紧密排列的３圈光纤为接收光纤。
按照与入射光纤纤芯距离的不同，将接收光纤分为５组，每组 图2 等效光斑半径比较
由６根接收光纤组成。由于５组接收光纤束所接收到的是同一
光源发射、同一物体反射的光，可以认为光源的波动和物体表
面反射率的变化相同；５组接收光纤束同轴就可以认为光纤弯
曲和环境温度、压力等对光强的影响相同。因此，可以利用三
圈同轴光纤束对光源功率波动和反射面反射率变化的敏感性相
同的特点，采用比值法来消除它们对测量的影响。
图1 光纤探头光纤束排列方式
由 图 2a 可 知， 在 大 位 移 下， 式 (4) 中 光 纤 等 效 半 径
二、光纤传感探头补偿机理及输出特性 R 2 ( ｄ ) 不合适。为了更好地比较分析 R 1 (d) 和 R 3 (d)，将其隔
1.光纤纤端出射光场分布 离出来，如图 2b 所示。由图 2b 可知，２种光斑在位移低于２
相关学者 [4-5] 在理论分析的基础上认为，得到一个既与实 mm 时，光斑半径差距不大。对于大位移，由于衍射等原因，造
际相符又具有通用性的纤端光强分布模型，即 成光斑半 径比实际几何光斑要大，但光强在径向上呈高斯分布，
因而超出几何光斑范围的光强很弱，主要能量集中在几何光斑
范围内，因此采用几何光斑公式。
2.补偿机理分析
Φ 0 为入射光纤出纤的光通总量；K 0 为光波在入射光纤中的 当被测表面与接收光纤之间的距离发生变化时 , 接收光纤
损耗；d 为发送光纤与反射面之间的距离；r 为入射光纤的纤芯 所接收到的光强就发生变化 , 即接收到的光功率就发生变化。
半径；R(d) 为光场分布等效半径。 相关学者 [6,8] 已经证明 , 接收光纤之间所接收光强之比 , 可以
消除耦合进入射光纤里的光磁通量、反射体的反射率、光纤光
功率损耗和附加损耗等因素 , 只与光纤的纤芯半径、数值孔径、
θ 为入射光纤的最大出射角，用数值孔径 NA 表示光纤的 光纤纤芯距和被测表面与探头之间的距离有关。即输出调制函
最大入射角 θ，并满足 NA=sinθ；ζ 为与光源种类及光源和光 数Ｍ可以表示为 2 组接收光纤接收到的光功率之比 , 即
纤耦合情况有关的调制参数，其大小表征光源的性质和耦合条
件对光场分布的影响。
50 网络电信 二零二零年四月
