文摘

便宜的光纤非接触距离传感器微加工应用程序中特定的短程位移监测。保持总体成本低,传感器使用塑料光纤和intensiometric方法基于接收到的光强度从目标反射后的位移测量。一个合适的目标反射率补偿技术是实现减轻由于目标表面不均匀或老化的影响。传感器的性能首先评估不同的纤维配置和目标反射率概要文件和位置使用基于蒙特卡罗模拟的数值方法。然后,实验验证配置设计工作已开展1.5毫米。结果已经证实的有效性提出了传感器结构,展示了优秀的补偿能力,错误低于0.04毫米(0 - 1)毫米范围内无论目标的颜色和偏差。

1。介绍

光纤传感器(FOSs)获得了越来越关注近年来不仅由于他们出色的表演关于机电同行,而且高质量的现成的光子组件的可用性在光通信产品的巨大进展。

自由/开源软件通常的特点是灵敏度高与其他独特的特征,如轻,耐腐蚀,对静电放电的免疫力,不可能开始火灾、和能力的远程操作使用相同的光纤传感和数据传输。然而,尽管许多传感原理和实现已经提出了在文献中,他们在日常使用扩散仍局限于利基应用,主要是因为审讯人员的高成本和复杂的光学布局和互联。

今天,商业自由/开源软件是基于玻璃纤维类似于用于高性能光学通信,虽然塑料光纤(pof)正在成为另一种便宜的光纤传感器的实现技术和互联1]。“低成本”方面是一个关键打开新市场观点,因为预算限制通常防止永久监测设置使用光纤传感器即使在已知情况下纤维提供优越的性能。例子是在文化遗产保护(例如,内在消防安全是一个关键的要求)或工业厂房监控(免于电磁排放和抗腐蚀要求)。

pof用于传感的通常步骤指数类型,由poly-methyl-methacrylate (PMMA)大面积核心(从0.25毫米到0.98毫米直径)包围一层氟聚合物(一些10微米)。在所有情况下,数值孔径(NA)非常高,接近0.5,和大核心直径和高钠的组合占使用廉价的来源和简化的可能性在传感器连接器和部署,使plastic-fiber-based传感器一个优秀的竞争对手对机电传感器。

虽然几个传感技术已经在文献中所描述的那样,pof是最适合intensiometric传感器,传感器,利用接收到的光强度的变化量测量。一个简单intensiometric传感器测量的距离可以安排开发面临的变化之间的光收集纤维(2];同样的原理也可以被利用在非接触设置如果接收光纤收集来自一个移动的目标的光在自由空间传播广度(3]。尽管它很简单,这个设置已经被证明是有效的监测振动目标(4),本文旨在分析设计问题与其使用相关测量静态位移短程应用程序。

短距离测量没有联系,事实上,是一个非常相关的问题在许多工程领域,如在精密微观力学监测小移动部件,和optic-based方法非常适合这个应用程序,因为它没有引入扰动,甚至在亚毫米的情况下对象。尽管提出了几个自由空间的解决方案(5,6),光纤传感器提供了进一步的有趣的特性,如一个内在简化定位传感头的前面移动物体与可能将电子控制电路在一个偏远的安全和电磁环境安静。

Intensiometric光纤实现,然而,主要缺点是非常敏感的两个传感头的几何参数(例如,光纤的角度建议削减或纤维)的精确定位和目标反射率。后者是最成问题的参数。事实上,虽然几何参数是固定的,可以通过传感器的特性占其用法之前,目标反射率随时间可以改变;这样的例子日夜转换静态条件的变化,阴影,由于老化变黄,表面的灰尘,沉积的脏点,等等。这种改变反射条件需要适当补偿技术,这样可以确定位移独立于目标表面特征和反射率。在振动测量,可以设计一个补偿算法利用加速度计已经出现在振动测量设置(4),但这种方法不可行距离在静态情况下的决心。作者已经提出了一个初步的解决方案(7),但传感器的彻底调查设置能够使位移读出独立于目标反射率是失踪。这个特性是至关重要的应用传感器没有precharacterizing目标表面并补偿变化的目标反射和发射功率。本文提出的有效性测量方法是首先使用基于蒙特卡罗数值模拟测试,然后通过实验。

本文的组织结构如下:部分2描述了系统的体系结构及其工作原理;部分3提供了一个基于蒙特卡罗数值模拟光学系统的性能分析和地址;部分4一些实验结果报告;最后,在节5,得出了结论。

2。传感系统设置

2.1。基本的传感器配置

简单,因此低成本、光纤非接触距离传感器利用反射的光强度的变化随着距离的目标,使用配置称为“分叉纤维束”(BFBs),基本上是““结了几个玻璃纤维排列成一捆增加光收集能力和扩展工作范围(8]。一般来说,有几个毫米的工作范围,包由许多纤维是必需的。这是专门适用于玻璃纤维;相反,同样的性能可以达到只有一个塑料光纤,此外,使用非常简单的附加组件如LED源和一个放大的光电探测器。

许多这样的BFB配置已经调查对于玻璃纤维的情况从实验和理论的观点(8,9),但不考虑纤维的影响由于非理想的行为的传感头或目标反射率。

最小的传感器配置来实现一个目标反射率补偿方法需要至少两个纤维的使用,即一个传输(TX)和接收(RX)纤维,勾勒出图1(一)。

目标,在远处TX的纤维表面,由发射电路点燃,反射的光收集传输光纤本身和接收光纤和转换回一个电信号使用接收器基于光敏二极管和互阻抗放大器。耦合器是用来分离向前和向后传播信号的传输光纤。自发射光束传输光纤的传播,接收功率决定,其他参数,在纤维提示目标距离的两倍。典型的信号收到TX的依赖和RX纤维如图2使用标准化的数量。

的确切形状曲线在图2取决于纤维的几何和光学参数和调整他们的建议对目标。然而,很明显,TX纤维展示收集的权力距离单调减小,而第一RX纤维增加,显示了最大值,然后下降更大的距离。

选择,更复杂,配置可以实现使用更多的接收与纵向偏移量纤维,提供不同的信号,主要用于补偿的目的(10]。

2.2。补偿目标的反射率

任何补偿技术需要比较不同依赖至少两个接收信号从目标距离。这个可以考虑接收到的信号与接收的传输光纤和光纤或从至少两个接收纤维纵向偏移量。第一选择通常是首选的,因为它会导致一个更紧凑的传感头和更高的灵敏度以来收集的光功率的TX纤维高于RX纤维;然而,它需要使用一个耦合器分离入射和反射信号在传输光纤,这介绍了另一个错误由于其来源不理想的方向性。实际上,这种贡献可能非常贴切,因为有一个贫穷的方向性耦合器对POF由于高度多模工作条件。

考虑一个TX和一个RX纤维的方法,在没有噪音,我们可以表达RX通道的输出电压 在哪里是输入功率,是目标反射率,效率是一个术语,包括光学衰减光纤链路中,光电二极管的响应率,和电放大器的增益,然后呢是这个词,占目标距离的依赖。类似地,TX纤维,我们可以写 距离的依赖有不同的配置文件对RX的纤维。TX光纤的输出电压不再是成正比的反射率因为偏移量,这表示这个词由于耦合器方向性。之前定义的补偿技术,因此有必要删除此抵消减去估计的从术语和获得一个offset-compensated TX功能。严格地说,不仅取决于耦合器的特点,而且在输入功率;然而,一旦系统已经实现了,估计可以很容易地获得通过将传感器远离目标或终止TX纤维与索引匹配介质。

薪酬战略的目标是找到一个函数的输出电压,消除了依赖的两倍和。在最简单的形式可以从信号的比值获得TX和RX的纤维,如[7]。然而,从实验验证,反射率补偿过程的效率可以提高利用voltage-distance量的函数定义为 虽然这种选择从理论的观点没有优于简单的TX / RX比率,在实践中设置避免分母接近零值,和选择允许重塑斜率,稍微调整灵敏度。从一组实验使用标准指数POF, 1毫米一步的选择和了,所以呢原来是一个单调函数与大致范围0 - 1线性趋势中点传感范围。

3所示。理论评估补偿技术

3.1。数值方法

一个传感系统的分析描述,提出了(9),只能考虑给出一个简化的理想情况下的纤维垂直地面临一个目标统一的反射率和高斯辐照度。这样的假设过于严格的POF包。

因此,考虑更现实的情况下,我们使用蒙特卡罗(MC)模拟技术,这种方法是众所周知的,为复杂系统的分析提供了有效的方法(11]。在光学这种方法通常用于分析散射光传播的媒体(12),或者在图像的演算法(13]。MC方法拥有一些特定的特性:(1)它可以模拟任何类型的辐照度;(2)它可以考虑任何旋转的纤维和/或目标;(3)它可以实现反射和扩散目标;(4)与非均匀反射率可以考虑目标模式。

背后的基本假设MC纤维模型TX纤维发出的光可以表示为一个有限数的叠加的射线,每个记者传播方向,每个光携带重量成正比。在空气传播路径,以及反射/然后每个射线衍射分析对待。然后,考虑到捕捉每个构成束的纤维表面,我们累积backpropagated射线的数量,每个接收光纤,每个射线被光功率的贡献权重。

图3显示使用的纤维束的几何MC模拟;占接收光纤的不同位置,同时优化仿真运行时间,多数接受纤维已经被考虑。所有的纤维被认为具有相同的半径毫米和相同的数值孔径NA = 0.47,这对应于一个临界角°。这样的价值观是典型的大核心步骤指数POF的名义参数。上的目标xy飞机,设在沿着bundle-target距离。坐标系统的原点位于TX纤维束腰(BW);光纤端面之间的距离和BW毫米。为了考虑TX纤维失调有关xy飞机,角度和描述的旋转TX纤维和y分别介绍了;TX纤维旋转根据BW,这样的投影在设在等于。

每个MC样本对应一束光线组合,这意味着定义角度和在x设在和y -分别轴。角度生成独立与均匀分布的随机变量;然后,一个合适的拒绝技巧集所需的联合概率密度函数(PDF)f(,)为了最好的近似TX的核心光纤维,考虑旋转和。换句话说,每一个随机生成的一对(,)被接受的概率p(,),否则拒绝。例如,对于一个统一的辐照度在锥定义的NA接受概率是1和0。更好的近似POF发射光束的二维超高斯轮廓;这意味着对(,)被接受的概率等于 在哪里σ标准差和吗是超高斯秩序。通过设置和(在弧度),一个好的繁殖输出的光束的塑料纤维在标准步骤指数衡量POF是获得14]。图4繁殖的接受概率的函数和这个近似假设°。这个表达式的光辐照度quasiflat剖面中部,迅速降低接近NA边缘,作为POF的典型。

每个射线从点击中目标的位置(,,),和。射线击中目标,理想情况下应该backpropagated根据二维的斯涅尔定律;然而,为了有一个更现实的目标表面的造型,从目标表面无可以进一步考虑通过一个二阶蒙特卡洛。在这种情况下,每一个射线传播分为一个反射线占纯和敏捷的反映射线,每一个与双角(,),描述了额外的旋转扩散斯奈尔雷对射线。再一次,(,)对生成的一组均匀分布的角度,运用拒绝技术如(4)如下: 扩散的目标建模与超高斯模式。所有的漫射光线有同等重量D/斯奈尔,而雷重量(),所以两个贡献之和是统一的和总扩散动力组件。目标的反射率等于守时R(x,y);因此,每个射线的重量乘以点的反射率的影响。相比其他更复杂的表面扩散的理论模型,采用超高斯模式允许一个简单的计算在只有三个简单的编码参数(D,H,)表面的类型,同时保留模拟与实验很好地符合扩散模式;更精确的建模,可以取代大都市拒绝方程(5)有不同的概率密度函数。

接收包由RX纤维和TX纤维之一。每个RX纤维可以旋转和,,其端面是集中在一点,,,如图3。TX纤维的接收信号作为其他RX的纤维。每个纤维的雷抓区域与semiaxes椭圆截面和,得到的纤维表面的投影xy飞机对纤维失调和。与这些假设,光线到达的位置,即xy平面坐标上的纤维方面向前和向后的路径后,计算

因此,打击条件是,到达点(在集中在椭圆)下降和有和semiaxes如下: 这个近似的收集区域是有效的只有低失调(应该是典型的传感器工作状态),因为它忽略了接收到的光子的指导到接收纤维。

因此,通过评估的()射线击中每个纤维捕捉区域和积累他们的重量,数量比例在每个接收到的光功率确定POF组合包,获得这样的一个估计和功能。

3.2。性能分析

MC模拟是一种有效的工具设计、仿真和性能分析的POF包。在本部分中,它应用于一个示例(图6的处方组成的纤维束纤维5)同时考虑用一个运行位置的不同组合xy飞机和偏移量的传输光纤小费。特别是,RX1 RX4纤维为中心毫米和收回0.5毫米,2毫米,0毫米,1毫米的分别设在而RX5和RX6集中在毫米,0毫米和1毫米毫米和收回。

图6(一)情节的和曲线作为目标位移的函数没有旋转和反射目标统一的反射率。正如所料,TX曲线单调趋势,而每个RX曲线峰值集中在远处,取决于考虑接收光纤位置对传输。图表显示的顶峰移动到较短的距离当RX纤维的纵向偏移TX纤维平面,或当纤维离开TX纤维。在后一种情况下,最大的接收功率也低。长途的所有曲线趋于收敛。图6 (b)土地补偿功能评估在(3为每个RX纤维);这个函数有一个陡峭的单调下降的位移范围为每个纤维~ 1.3毫米,代表了有用的模拟传感器的地区;的最大灵敏度点沿着有用的范围达到了近一半。改变纤维位置有用的范围可以针对不同的位移范围,明确显示为纤维RX5-RX6有用的范围是转向毫米。然而,它应该考虑之间总是存在一个权衡的转变峰位置和接收功率,这样,在实践中,不能超过几毫米的转变。

这个概念进一步强调在图7,该报告补偿函数的导数。这个函数显示每个RX纤维有一个敏感性最高,该地区延伸约1毫米在特定位移取决于纤维的位置。这也表明,通过使用多个纤维与不同的定位,最佳工作范围可以扩展接收光纤的正确选择。

有时候,由于制造公差或传感器中的错误使用,目标可能被某个小角度旋转。考虑到这种情况下,人物8报告的情节曲线为每个RX纤维不同价值观的目标沿水平轴旋转;正如预期的那样,目标旋转诱发向左或向右移的工作范围,因此,改变位移读出。表1报告的定量评价目标旋转,引起的错误,接受纤维之间的巨大差异,可以得出结论:纤维旋转的宽容是强烈依赖于包设计。

MC模拟也可以用于研究非均匀目标反射率的影响。原则上纤维束系统可以弥补任何反射率的变化,因为,例如,日夜或光/影转换,通过老化表面泛黄,或灰尘。然而,如果这样的一种变异不是统一目标表面上,它可能导致不理想的补偿,影响系统性能。为了评估这种不理想的行为的发生率,一组模拟考虑点半径为2毫米不同反射率的目标放在前面的TX纤维或1毫米被认为是。经验,这几乎是一个最坏的情况下的反射率变化是突然的,接近发光点,拦截一个广泛传播的光量。图9表明,补偿技术是相当宽容的反射率变化;所有曲线几乎是叠加的,即使是最坏的不现实的场景反射率变化陡峭的45%。

最后,反思的不同行为和扩散目标表面与MC模拟方法。一般来说,目标是越扩散(即。,更高的值和,在(5)),峰值越低的接收功率,和更高的价值力量收集向长位移的曲线。图10报告(d)函数在不同的情况下,。RX5 RX6纤维,是那些远离TX纤维,表现出较强的依赖和。

总结,MC仿真提供了定性,用一些近似,POF包补偿传感器量化信息;敏感性,宽容,和质量的补偿有相当强烈的依赖纤维束的定位。

4所示。实验结果和讨论

该方案在图1一直使用商业步骤实现指数纤维,980μ全氟10 m PMMA核心包围了μm层作为包层;数值孔径接近0.5。TX和RX纤维都覆盖着黑色夹克为了减少相声在附近。然后设置包括领导源和电流驱动的650海里一个自制的双通道接收机有一个输入连接到传输光纤通过商业三分贝耦合器,另一只接收光纤。两个渠道的收益一直在调整输出信号的近似相似的数量级;然后,这些信号通过商业进口程序在虚拟仪器开发的16位采集卡最大的采样能力250 k / s。LED是调制约1 kHz,以便可以使用同步采集方案抑制杂散光和环境噪声。

传感头然后被安装在精密电脑控制线性翻译阶段,用于测量目标的距离一组具有不同反射率和表面模式。这些目标包括纸张与一个相当粗糙表面和五种不同的颜色,和可变反射率模拟扩散目标;一层锡纸,提供一个高度反光的表面不理想的方面;一块不透明的钢铁,代表一个典型的POF传感器的工业应用;一面镜子,来模拟一个纯粹的反映对象的最大反射率(在实际应用中,镜面也可以应用的不反光的目标,例如,黑色石膏)。补偿的目标反射率在执行(3),通过设置和。

有优化的目标近距离的应用程序的性能,实验主要进行使用配置RX纤维中心位于约1.2毫米TX纤维和没有纵向偏移量。

图11描述了该配置的接收机的输出电压作为目标位移的几个目标函数类型。这些功能的配置文件复制图的理论行为2在图,以及模拟行为6;与位移TX信号是单调递减,而RX的峰值毫米。的和彩色纸目标概要文件(使用下面的名义反射率值:25%的蓝色,30%为绿色,黄色为40%,45%的白人,50%,粉红色)遵循相同的模式,而曲线几乎彼此成比例。不透明的钢铁约有40%反射率和记者RX在初始曲线有一个增长幅度d=(0 - 1)毫米范围对纸targets-actually,它击中最大电压对应点的白皮书,45%的反光陡长位移减小;这个结果与表面兼容图的分析10。锡箔和镜像目标高度反光的,但是他们的表面是明显不同;镜面的RX曲线似乎是最大的,虽然有一点点的偏差0.5毫米的锡箔曲线峰值的位置,可能归因于其不规则表面。

图12报告(d)函数为所有这些不同类型的目标。图表显示的叠加功能类型学的目标,特别是在近距离(0 - 1)毫米。事实上,纸的比较目标,理想情况下应该完全相同的模式,的确显示了一个显著的曲线的叠加。另一方面,反射目标有一个稍微不同的配置文件,几乎不透明的钢铁和锡箔叠加和镜子有略高。考虑这两种情况下,特定的配置的最大使用范围由噪声是有限的,约2毫米。与曲线复制部分3.2,(d)达到一个值小于通过模拟;这是由于不同的电放大器的增益,其结果尽管MC模拟没有考虑电子放大系数。然而,一个好的匹配提供了有用的范围。这种类型的传感系统的重要资产,也就是说,目标反射率的补偿是必要的对于大多数著名的工业应用,特此证明。

工作范围的决心还支持评估的灵敏度与位移(图13);在峰值毫米和可用的值是1.6毫米,虽然为了更高的灵敏度地区工作,这个配置是保守的推荐范围(0 - 1)毫米。

图14报告之间的比较功能,评估目标,和MC模拟相同的纤维束。突出了一个几乎完美的图表叠加功能的位移范围(0 - 1.2)毫米,曲线有相同的行为。MC-simulated曲线往往偏离实验功能毫米,然而,从传感器的工作范围;在这个地区,尽管模拟和实验曲线都有类似的行为,他们达成不同的高原。

最后,为了提供更多的定量估计传感器的性能,特别是反射率补偿的有效性,人物15和表2报告之间的差异位移测量与每个颜色纸目标位移由电脑控制micropositioner(作为参考价值)。潜在的假设(d)曲线的目标应该完全重叠,因为所有这些目标表面模式相同但不同的颜色。然而,在实践中这一措施还包括目标失调的影响,因为在使用设置改变的颜色意味着目标系统的安装和卸载中的目标。考虑图中的结果14,一个好的曲线的重叠,特别是在(0 - 0.8)毫米范围,证明了该补偿方法的有效性,最大误差为33μm。然后,更长时间位移,缺乏敏感性恶化重叠,读出差异超过0.1毫米。

5。结论

一种低成本的基于光纤传感器非接触短程位移测量提出了和它的性能评估。传感器是由两个塑料光纤,并计算位移变化的权力收到了从目标反射后的位移必须被评估,补偿目标反射率的变化。传感器的模型已经被开发出来,表演上的传感头设计选择的影响研究首先通过蒙特卡罗模拟方法,并进行了实验测试的传感器设计操作(0 - 1)毫米范围内。结果证明了该配置的有效性,使得保持误差低于0.04毫米范围广泛的反射率。