反射式光纤传感器原理

四、实验原理
图1是反射式光纤位移测量原理图
图1 反射式光纤位移传感器原理图
光从光源耦合进入输入光纤射向反射面，再被反射回光纤，由探测器接收。

设两根光纤的距离为d ,每根光纤的直径为2a ，数值孔径为NA ，x 是反射器的反射面到输入（输出）光纤断面的距离，设反射面反射率为R 0，输出光纤接收到的光强为I(x),输入光纤输出的光强为I 0，ξ为光源种类及光源跟光纤耦合情况有光的调制参数。

则有：
()()[]
⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩
⎪
⎨⎧+-
⋅+=22/32222/300/1exp ])(1[c c tg a x a R tg x I R x I θξθα
ξ 若我们测量小位移时，光源与输入光纤耦合较好，采用准共路光纤，ξ≈0，则上式变形为：
()⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-⋅=2200exp a R I R x I
再对上式展开忽略高阶项，得到：
()c
tg x R a I x I θ220
204=
其中：数值孔径NA=sin(θc ) 且在图中近似得到：
x
R tg c 2=
θ 很显然，图中当d>R 时，即输出（接收）光纤位于反射光光锥之外，两光纤
光纤芯径交界弧线看成是直线。

通过计算得到重叠面积与光纤端面面积之比，即
)]1sin()1()1([cos 1
1α
δαδαδπ
α----
=
- 本实验使用阶跃型光纤，采用准共路方式，与反射器相邻端为光纤传感器探头，它与被测体相距x ，光源发出的光经过光纤传到被测物体再由被测物体反射回来，有另一光纤接收光信号经光电转换器转换成电压，而光电转换器的电压大小与间距X 有关，因此可以用于测量位移。