具有补偿功能的光纤传感器结构设计中的仿真分析 马玉真

1、具有补偿功能的光纤传感器结构设计中的仿真分析 马玉真摘要：针对光纤传感器的端面排列结构，我们结合科研工作需要进行了传感器系统的建模与仿真设计，仿真结果给出了不同纤芯直径接收光强随间隙变化的规律，通过两组同轴分布的接收光纤接收光强的匕值的仿真分析，进一步发现了传感器的线性区间大小、线性位置与光纤纤芯直径的关系。在研究生的教学实践中，采用建模仿真的方法有利于培养学生的科学思维，是一个行之有效的教学方法。关键词：光纤传感器，仿真，科研，研究生教学中图分类号：G6424文献标志码：A文章编号：16749324(2012)040068-02近几年来，光纤传感器因其灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好

2、、光路有柔韧性、结构简单、体积小和重量轻等独特的优点在科研工作中得到了广泛的应用，并随之成为工科院校研究生专业课程的一个重要内容。相对于干涉型光纤传感器来讲，强度调制型光纤位移传感器的整体结构和信号处理都比较简单，一般做成Y型结构，由发射光纤和接收光纤组成，发射光纤位于中央，接收光纤沿发射光纤周围均匀排列一圈或多圈。当采用光纤位移传感器进行测量时，由光源发出的光经入射光纤到达被测表面，经表面反射后被接收光纤接收，其光强的大小反映了传感器端面与被测表面的间隙大小。考虑到传感器的接收光纤与发射光纤同心的结构，因此，当入射光垂直入射到反射面时，反射光的能量全部被传感器接收到；当光以倾角0入射时，传感

3、器实际接收到的总光能量为：P=J【exp(一)2)P0(a)da+【1一e印(一)Pn(A)(1)，从式中可知，光纤传感器接收的总光能量与Po(a)、Q、入射角0有关。而代表表面的反射特性，P，p的大小与光纤传感器端面到被测表面的间隙d有关，由此传感器的接收光强信号受到光源的光强(A)、表面的反射特性p、传感器与被测表面的间隙d以及光的入射角几个因素的影响，是以上各参数的函数，即尸(Po，P，d，0)。在实际测量中，一般令光纤传感器的轴线与被测表面垂直，即发射光垂直入射，那么，传感器的信号主要受到光源发光强度的漂移、被测表面反射率变化的影响，也就是说，传感器与被测表面之间的问隙变化或相对位移变

4、化引起的接收光强变化叠加在其它因素引起的光强信号之中，那么，在光纤传感器的结构设计和参数选型中，如何去伪存真，获取准确可靠的间隙或位移信息是问题的关键。因此，我们首先从理论上分析各因素对测量结果的影响大小，根据式(1)传感器的光强的理论模型，对传感器的结构参数进行仿真分析，进而寻求一种合理的传感器结构，有效消除或减小以上因素的影响。一、不同光纤纤芯，包层直径的仿真结果为了观察不同直径光纤纤芯接收光强的特点，我们选用纤芯包层直径分别为50125um、105125um和400440um的光纤进行仿真分析。发射光纤的数值孔径为011，接收光纤的数值孔径为022，接收光纤与发射光纤紧密排列成同心圆结构

5、。假设入射光的强度为lmW，那么接收光纤的光功率随间隙变化的情况如图1所示。从中可以看出，光纤的纤芯直径越大，接收到的光强越强，曲线的死区较小，曲线前坡后坡的线性范围越大，相反，光纤的纤芯直径越小，接收到的光强越弱，曲线的死区较大，曲线前坡后坡的线性范围越小，其峰值位置如表1所示。15011001150120O125013GO135014D01图1不同纤芯的光纤传感器的接收光强随间隙变化的关系曲线通过比较可以明显发现，纤芯包层直径为50125um的光纤接收信号太弱，其他两种直径的光纤接收信号较强，因此，将选择纤芯包层直径分别为105125um和400440um的光纤进行进一步的分析。纤芯，包层

6、直径(珊)=峰值位置(啪)峰值强度()s01255811689046105125500564549540044016856387338表1不同纤芯的传感器接收光强的峰值比较二、不同纤芯直径的传感器比值仿真结果由于光纤传感器接收到的光强不是间隙的单调函数，接收信号除了随着间隙的大小变化外，还受光源发光强度漂移、被测面反射率的影响，这样给测量结果带来了不确定因素，不利于数据处理。为此，我们对传感器的接收光强数据进行归一化处理，将光强与间隙之间的函数变为单调函数。为了找出以上因素的影响规律，传感器采用了两圈同轴分布的接收光纤结构，并将两组光纤的接收信号进行比值处理，如图2所示。尽管不同纤芯的光纤传感

7、器的接收光强并不相同，各圈的比值却服从同样的规律，即比值有明显的线性区间，并都趋于一个定值。由于两组光纤的比值处理消除了表面反射率变化以及光源波动的影响，因此，传感器的输出只与间隙或位移有关，即是间隙或位移的单调函数。从比值曲线还可以发现，传感器的线性区间的大小和位置与光纤的纤芯直径有很大关系，如表2所示。这样，不仅从原理上有效地消除了一些共模干扰信号引起的误差对测量结果的影响，而且在一定程度上增大了测量范围。实际制作光纤传感器时，可以根据被测表面的间隙变化范围确定选用合适的纤芯直径，并由此确定了传感器安装的初始位置。间隙unr；左一105125um；右一400440um图2不同纤芯的光纤传感

8、器的接收光强比值随间隙变化的关系曲线表2不同纤芯的传感器线性区间比较三、结束语针对光纤传感器的端面排列结构，我们结合科研工作需要进行了系统的建模与仿真设计，发现了不同纤芯直径接收光强的规律，通过两组光纤接收光强的比值的仿真分析，进一步发现了传感器的线性区间大小、位置与光纤纤芯直径的关系。通过对光纤传感器的结构仿真可以看出：在研究生的教学实践中，教师通过科研实例，启发和引导学生通过初步分析、建模、仿真发现问题，提出科学方案；通过再分析、建模、仿真或实验，进一步深化认识，提出创新性假设。因此，在科研和教学实践中采用建模仿真的方法，可以引导学生学会正确的科研方法，端正科研态度，增强用正确的理论指导实践的意识，跟上科技前沿的发展。参考文献：1MaYuzhenTipClearanceMeasurementforHighspeedRotatingBhdes，Proceedingsof6thInternationalSymposiumonTestandMeasurement，2005，1(4)：3443-3446【2】王新华，邵海燕，宋方臻，马玉真基于Madab语言的测试技术仿真实验教学系统开发