用于微動工作臺的光纖位移傳感器設(shè)計(jì)*

韋 宣，樂 靜，申阿維，邵 偉

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安710048)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多的領(lǐng)域迫切需要精密微動系統(tǒng)用于加工和測量。柔性支撐微位移機(jī)構(gòu)是微納米級定位工作臺普遍采用的方法，在整個系統(tǒng)中，檢測部分的準(zhǔn)確性直接影響整個系統(tǒng)精度和控制性能，迫切需要分辨率達(dá)到亞微米級且價廉的微位移傳感器。通過對各種非接觸方法比較，選擇光纖位移傳感器，其具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

目前，光強(qiáng)型光纖位移傳感器有許多在結(jié)構(gòu)、電路、使用方法等方面的研究報(bào)道［1，2］，但這類光纖傳感器基本上量程在mm 級，分辨率為1 μm。本研究的應(yīng)用對象為微動工作臺，測量范圍為200 μm，分辨率為亞微米級，只能利用典型光纖傳感器線性范圍的一部分，此時的難點(diǎn)在于量程小，分辨率和靈敏度要高，受干擾影響大等，為了保證傳感器具有一定的精度，本文將從光源、結(jié)構(gòu)和測量電路等各個環(huán)節(jié)入手，采取有效的措施消除光源波動和外界背景光等對光纖傳感器的干擾，并通過改進(jìn)電路實(shí)現(xiàn)對信號去零、放大，以增加傳感器的靈敏度和分辨能力。

1 反射式光纖傳感器測位移的原理

強(qiáng)度反射式光纖傳感器的基本原理是對所傳輸?shù)墓饽苓M(jìn)行調(diào)制。發(fā)射光纖端面射出的光散成圓錐型，光束經(jīng)反射面反射后，部分進(jìn)入接收光纖，當(dāng)光纖探頭和反射平面的間距改變時，利用兩者之間耦合關(guān)系即可對光能進(jìn)行調(diào)制。通常在一定的位移范圍內(nèi)，接收光纖中反射光總量與光纖端面到反射面的距離近似呈線性函數(shù)，其大小和靈敏度與光纖參數(shù)、兩路光纖之間的距離以及光耦合方式有關(guān)。

設(shè)發(fā)射光纖(TF)和接收光纖(AF)的芯徑分別為2r1和2r2，兩光纖的間距為d，中心距為L0，它們的共同端面與反射平面 P 的距離為 L，發(fā)送光纖的孔徑角為 θm［3］，如圖1。

當(dāng)TF 作為一個微面光源照亮反射面P 時，該面上直徑為D 的均勻光斑又可看作是余弦輻射體，那么，它向2π 立體角半球空間發(fā)出的全部光通量為F0=πB0dS。其中，B0為P 面上的光亮度;dS 為AF 端面有效通光面積。

圖1 TF 與AF 的光耦合Fig 1 Light coupling between TF and AF

若它的反射率為ρ，則它直接照射AF 端面時，在它的端面上的光通量為

式中 dSD為P 面上直徑為D 的均勻光斑;i1，i2分別為發(fā)射、接收光纖端面中心連線與端面法線的夾角。通常在實(shí)際中，總是保持TF 與AF 的軸線垂直于反射面，即兩光纖平行時，i1=i2=i，光纖的光功率耦合效率為

令K=cos2i，其中，i 由發(fā)送光纖和接收光纖的組合形式?jīng)Q定，因而，稱K 為表示組合形式的系數(shù)，則由上式得出

以上是強(qiáng)度反射式光纖位移傳感器的調(diào)制函數(shù)。光通量Φ 與反射率ρ、系數(shù)K、通光面積dS 均呈正比，與探頭距離反射平面的距離L 的平方呈反比。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)，選擇多根光纖和光纖探頭組合形式，以便獲得較好的靈敏度和線性區(qū)域。

2 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

反射式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由LED 光源、光纖、反射平面、硅光電池，外加光電轉(zhuǎn)換、減法電路、放大電路組成。

2.1 光源的選擇

常用光源有半導(dǎo)體光源、氣體激光器和白熾燈等。發(fā)光二級管具有可靠性高，室溫下連續(xù)工作時間長、光功率-電流線性度好等顯著優(yōu)點(diǎn)，選用它可大大降低整個傳感器的成本［4，5］。因此，采用大功率藍(lán)光 LED 作為光源，功率為5 W，發(fā)射光譜均勻，半帶寬20 nm，它的優(yōu)點(diǎn)是電源簡單，受環(huán)境光的影響小，可提高傳感器抗干擾能力和增強(qiáng)信號強(qiáng)度。

圖2 傳感器Y 型結(jié)構(gòu)Fig 2 Y-shaped structure of sensor

2.2 光纖傳感探頭

光纖傳感探頭由TF，AF 和反射面組成。安裝在工作臺上的反射面隨工作臺移動，從而對光纖中的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。光纖的選擇與安裝主要要求是:

1)光纖對間距d 主要影響傳感器位移測量的死區(qū)和前坡靈敏度，應(yīng)該讓2 根光纖緊密排列;

2)發(fā)送光纖芯徑r1主要影響特性曲線的峰值和傳感器的前坡靈敏度，因此，在滿足信噪比的前提下盡量選擇小的發(fā)送光纖芯徑，并盡量使光纖包層之間無間隙;

3)接收光纖芯徑r2主要影響特性曲線的峰值、峰頂寬度、位移測量的線性范圍以及前坡靈敏度。因此，應(yīng)盡量選擇大芯徑的接收光纖;

4)光纖數(shù)值孔徑(NA)角主要影響特性曲線的峰值距離、峰頂寬度和前坡靈敏度，應(yīng)選擇相對較小的數(shù)值孔徑的光纖［6］。

為了增大光強(qiáng)和接收光通量，采用多根光纖集合成的發(fā)射光纖束和接收光纖束，將TF 的發(fā)射端和AF 束的接收端集合在一起，構(gòu)成Y 型光纖探頭，排列方式為隨機(jī)型，如圖3 所示，此排列方式具有較高的靈敏度，而且，測量范圍也適合本系統(tǒng)的測量量程。

圖3 隨機(jī)型排列Fig 3 Random arrangement

為了選擇合適的反射面，分別采用平面鏡、鍍銅膜、白紙板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:平面鏡反射面前坡靈敏度最高，因此，采用平面鏡以減小光強(qiáng)的損失。

2.3 檢測電路

由于工作臺位移范圍小，測量時只使用了典型光纖傳感器線性段的一部分，且零點(diǎn)較大，因此，需要通過靈敏度高的光電轉(zhuǎn)換器件、減法電路、放大電路等對此區(qū)間的電壓去零和放大，以提高分辨能力。

光探測器是光接收系統(tǒng)的前端，其靈敏度、帶寬等特性參數(shù)直接影響光纖系統(tǒng)的總體性能，由于硅光電池靈敏度高(比光敏三極管與光敏二極管高)，穩(wěn)定性好，且壽命長，所以，選擇濱松S2386。

如圖4 所示是一種典型的反相輸入型的伏安轉(zhuǎn)換電路。硅光電池處于零偏置，光強(qiáng)與光電流呈線性關(guān)系。由ICL7650 將硅光電池的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，在后端選用OP07 進(jìn)行信號的放大，其具有自動調(diào)零作用，從而簡化電路調(diào)試。為了將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分辨率提高，設(shè)計(jì)了減法電路，再對有效電壓進(jìn)行放大。電路如圖5 所示。

圖4 光電轉(zhuǎn)換電路Fig 4 Photoelectric conversion circuit

圖5 減法電路Fig 5 Subtraction circuit

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對光纖傳感器的可測范圍進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，實(shí)測輸入/輸出曲線的上升部分有1 mm 的線性范圍，然后選取中間一段0.2 mm 局部區(qū)間，用于微動工作臺的位移測量，此線性范圍內(nèi)前坡靈敏度較高。

為了確認(rèn)該傳感器的性能，采用微動測量臺架模擬工作臺微位移輸出(最小刻度為0.2 μm)，對自制光纖位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定，測量位移范圍為0 ～200 μm，位移間隔為20 μm，共采集10 個點(diǎn)，分別采集三組正程和返程數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。表1 為光纖傳感器測得的數(shù)據(jù)。

通過最小二乘方法計(jì)算傳感器的擬合直線，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到非線性誤差為1.2%，遲滯誤差為2.2%，重復(fù)性誤差為2.7%，傳感器分辨率能穩(wěn)定在0.5 μm。

表1 光纖位移傳感器測量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement data of optical fiber displacement sensor

4 結(jié) 論

傳感器實(shí)現(xiàn)了位移范圍0～200 μm 小位移測量，分辨率可達(dá)亞微米級，具有外形小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、損耗低、頻帶寬等特性，實(shí)用性強(qiáng)，為微動工作臺閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了位移檢測基礎(chǔ)。對于線性度等方面存在的不足，可采用校正技術(shù)、反饋控制和改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)等方法，應(yīng)該可以滿足亞微米級二維工作臺定位系統(tǒng)的定位精度和分辨率要求。

［1］ 楊秋虎，張 岡，陳幼平，等.光纖位移傳感器信號處理電路設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011(5):3 －5.

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