Page 33 - 网络电信2020年4月刊上

p1,p2 分别为第 1 组和第 2 组接收光纤接收到的光功率。 距是由光纤半径决定。为了确定某一参数对输出特性的影响 ,
根据式 (1) 光强分布的模型 , 耦合进接收光纤的光功率可 本文研究了只改变光纤半径和数值孔径其中一个参数时输出特
以由下式进行计算： 性随位移ｄ的变化关系。
在目前的光纤加工制造中 , 纤芯半径尺寸已经标准化：其
半径规格有 50μm,100μm,150μm,200μm,250μm,300μm；多
α 为反射面的反射系数；S 为接收光纤的等效纤端光场与 模光纤数值孔径从 0.12 到 0.5 不等。
接收光纤的纤端光场的交叠面积；K 为接收光纤的光功率损耗系 当入射光纤的数值孔径 NA=0.12, 改变光纤半径ｒ时 , 对应
数； 为接收光纤的附加损耗系数。 的输出特性曲线如图 4 所示 , 其中 ,M(d) 为 2 组接收光纤所接
文献 [6] 按照反射光斑圆与接收光纤圆之间的几何位置关 收到光强的比值。
系 , 分无交叠、有交叠和完全覆盖 3 种情况进行分析 , 得到接
图4 不同光纤半径下所对应的输出调制曲线
收光纤光功率的 3 种表达式 , 分别为：

ｐ为光纤纤芯距。
根据式 (6) 将 5 组接收光纤分成 2 种方式进行比较 , 如下
所述。 可以看出 , 随着光纤半径的增大 , 其线性范围逐渐变大 ,
第 1 种方式 , 将第 2,3,4,5 组接收光功率之和与第 1 组接 但同时 , 可用于位移测量的起始段的测量死区也逐渐后移 , 灵
收光功率相比 , 即 敏度有所降低 , 在光纤半径为 400μm 时 , 所对应的输出曲线的
线性区域为 3.5 ～ 8.5。
当光纤半径 r=300μm 时 , 通过改变入射光纤的数值孔径
第 2 种方式 , 将第 4,5 组接收光功率之和与第１,2,3 组接 NA, 对应的输出特性曲线如图 5 所示 , 其中 M(d) 为 2 组接收光
收光功率相比 , 即 纤所接收到光强的比值。
图5 不同数值孔径下所对应的输出调制曲线

p 1 ,p 2 ,p 3 ,p 4 ,p 5 分别为接收光纤标号 A 1 ,B 2 ,B 3 ,B 4 ,B 5 的光功
率。
对以上 2 种方式进行仿真比较 , 如图 3 所示
图3 光功率2种方式比值的比较

由图 5 可以看出 , 随着入射光纤数值孔径的减小 , 测量的
线性范围增大 , 但起始测量死区范围后移 , 灵敏度也有所降低；
但是 , 接收光纤的数值孔径不能太小 , 如果接收光纤的数值孔
径太小 , 即光线进出光纤的光锥角就会很小 , 会导致接收光纤
能够接收被测面反射后的光线总量会很少 , 当传感器与被测表
面之间的距离变大时 , 接收光纤接收到的光强会很弱 , 以至于
通过图 3 可以看出 , 第 1 种相较于第 2 种方式 , 具有初始 后续光电转换模块不能识别。
死区更小、线性区间更大和灵敏度更高的优点 , 故选用第 1 种
方式。 三、传感器系统尾端结构设计
3.纤芯半径和数值孔径对光纤传感器输出特性的影响 根据上面理论分析 , 光纤采用多模石英光纤 , 直径为
由于设计的探头中的光纤都是紧密排列的 , 所以光纤纤芯 600μm, 入射光纤的数值孔径为 0.12, 接收光纤的数值孔径为

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