Fotonic Sensor™ 是一種非接觸式儀器，它利用光纖槓桿原理進行位移測量、振動分析和表面狀況測量。Fotonic Sensor 透過柔性光纖探頭發射一束光，接收從目標表面反射的光，並將此光轉換為與探頭尖端和被測目標之間距離成比例的電信號。光纖原理的簡化示例顯示在圖 2 中。然後，光纖傳感器的輸出信號電壓用於確定目標表面的位置、位移、振動幅度、頻率和波形。

MTI-2100 Fotonic Sensor

 

光纖探頭原理 (圖 2)

Fiber optic probe principles (Figure 2)

 

利用光纖技術的傳感器產品

MTI-2100 Fotonic

MTI-2100 採用先進的光纖和電子技術，可精確測量位移、位置和振動。它以高達 0.01 µin. (2.5 埃) 的解析度和從直流 (dc) 到 500 kHz 的頻率響應設定了新的性能標準。

光纖傳感器的工作原理

Fotonic Sensor 的操作如圖 3 和圖 4 所示。圖 3 顯示，當光纖探頭安裝在靠近目標的位置時，接收光纖 (B2) 看到的反​​射光量 (A) 很小。然而，當目標進一步遠離探頭時 (圖 4)，Fotonic Sensor™ 是一種非接觸式儀器，它利用光纖槓桿原理進行位移測量、振動分析和表面狀況測量。Fotonic Sensor 透過柔性光纖探頭發射光束，接收目標表面反射的光線，並將此光線轉換為與探頭尖端和被測目標之間距離成比例的電信號。圖 2 顯示了光纖原理的簡化示例。然後，光纖傳感器的輸出信號電壓用於確定目標表面的位置、位移、振動幅度、頻率和波形。

傳感器反射光低，靠近目標 (圖 3)

Sensor reflected light is low, close to target (Figure 3)

光纖傳感器最大反射光 (圖 4)

Maximum reflected light from fiber optic sensor (Figure 4)

如果您繪製電壓輸出 (與接收到的光強度成比例) 與目標和光纖傳感器之間距離的曲線，您會發現當探頭靠近目標時，這種關係非常敏感。這個高度敏感的區域稱為性能曲線的前坡 (圖 5)，典型值如表 1 中的範圍 1 所示。

光纖探頭響應曲線 (圖 5)

Fiber optic probe response curve (Figure 5)

進一步增加距離會導致圖 4 中的照明區域 (A) 擴大，增加接收光纖 (B2) 接收到的反射光量。最終，區域 B2 飽和，表明光纖正在接收最大可能的光量。此時，MTI-2100 Fotonic Sensor 產生最大電壓輸出。這個頂點稱為光學峰值。初始電壓上升和最大輸出發生的位移範圍是探頭直徑和光纖數值孔徑 (N.A.) 的函數，而不是表面反射率的函數。

調整光學峰值的幅度可提供檢查和比較表面狀況所需的輸出靈敏度。它還用於校準每個光纖探頭，以複製 MTII 建立的靈敏度因子。圖 6 顯示了三個不同的反射表面。

光纖探頭對不同目標反射率的響應曲線 (圖 6)

Fiber optic probe response curves to different target reflectance (Figure 6)

曲線 A: 目標反射率高時的儀器響應曲線。

曲線 B: 校準後的儀器響應曲線。

曲線 C: 目標反射率低時的儀器響應曲線。

請注意，對於三個樣本中的每一個，光學峰值都發生在相同的操作距離處。透過調整此峰值的幅度以匹配校準過程中在 MTII 設定的幅度 (曲線 B)，可以複製前坡和後坡。此斜率或靈敏度值，儲存在MTI-2100插入式模組的記憶體中，用於將電壓轉換為位移或位置。MTI-2100具有校準程序，可讓您複製此曲線並「自我校準」以符合您的特定目標反射率。如果目標反射率與校準曲線(B)相比過高(曲線A)或過低(曲線C)，使用者只需按下「校準」按鈕即可調整發射光強度。

如果需要更高的靈敏度，可以進一步增加光強度。例如，燈泡強度增加20倍，光纖探頭靈敏度也按比例增加20倍。這可以透過監測燈泡強度的電子電路輕鬆實現，該電路透過矽光電二極體進行監測。矽光電二極體在幾個數量級的光強度範圍內呈線性，因此可以完全透過電子控制選擇廣泛的靈敏度。此外，燈泡監測光電二極體可用於電子伺服控制，以保持燈泡強度恆定，確保穩定的位移讀數。

目標進一步遠離探頭會導致圖4中接收光纖(B2)接收到的反射光強度損失，並導致電壓輸出降低。曲線的此區域稱為後斜率區域(圖5)，典型值如表1中範圍2所示。每個插入式模組都儲存了前斜率和後斜率的靈敏度係數，為每個光纖感測器提供兩個不同的操作區域。一個是具有小間距和測量範圍的高靈敏度區域，另一個是具有較大間距和測量範圍的低靈敏度區域。

Fotonic感測器還可以透過使用MTII的KD-LS-1A光學擴展器2(圖7)在更大的間距距離下操作。這將光纖探頭的光聚焦到最前方鏡頭前方約0.32英寸(8毫米)處。

KD-LS-1A光纖探頭擴展器(圖7)

KD-LS-1A fiber optic probe extender (Figure 7)

當KD-LS-1A前端到反射目標的距離約等於透鏡組件的焦距時，探頭面的影像將出現在反射目標的表面上。此影像透過KD-LS-1A傳輸回來，並重新成像到光纖探頭面上。這導致返回的光進入發射光纖，並顯著減少投射到接收光纖上的光。光的減少在儀器的輸出訊號中產生一個尖銳的零點，如圖8所示。

KD-LS-1A光纖探頭擴展器響應曲線與標準探頭比較(圖8)

KD-LS-1A fiber optic probe extender response curve compared to standard probe (Figure 8)

當目標距離從焦點向任一方向輕微位移時，影像會模糊，返回的光線再次開始進入接收光纖。此動作在零點的任一側產生輸出訊號的峰值。位移/輸出關係將與使用相同探頭直接觀察反射表面所獲得的關係相似——只是現在的間距距離比以前大約100倍。光學擴展器的其他型號可以包含放大係數，以獲得更高的靈敏度，同時仍保留增加操作間隙的優勢。

光纖感測器的應用

光纖探頭

Fotonic感測器的關鍵元件是柔性光纖探頭，它由兩組光纖絲套在一起形成一個。有效直徑可小至0.007英寸(0.177毫米)，使其非常適合測量小目標。為了提供各種靈敏度和測量範圍，MTII提供了三種標準光纖探頭配置，如圖9所示。這些配置由探頭尖端中發射和接收光纖絲的分布決定.

光纖探頭配置 (圖9)

Fiber optic probe configurations (Figure 9)

隨機光纖分布是發射和接收光纖的隨機混合. 具有隨機光纖圖案的光纖傳感器由於相鄰光纖之間的緊密相互作用而表現出高位移靈敏度, 但測量範圍短.

半球形光纖分布將發射和接收光纖分成兩個不同的組, 探頭尖端的一半由發射光纖組成, 另一半全部由接收光纖組成. 半球形探頭尖端提供長距離, 但位移靈敏度低.

同心內部發射光纖分布包含一組位於探頭尖端中心並被一組同心接收光纖包圍的發射光纖. 這種光纖探頭排列在高靈敏度/短距離隨機探頭光纖和長距離/低靈敏度半球形探頭光纖之間提供了一個中間選擇. 由於其對稱排列, 這種探頭樣式受傾斜目標的影響較小. 圖10概述了不同光纖配置的相對性能.

不同光纖傳感器配置的相對性能 (圖10)

Relative performance of different fiber optic sensor configurations (Figure 10)

MTI還提供特殊的光纖邊緣 (或陰影) 探頭. 在這些排列中, 光纖分布包含一組發射光纖與一組接收光纖相對. 發射和接收光束都可以是隨機的或半球形的, 這取決於所需的應用性能. 一個薄或窄的目標放置在光纖束之間的間隙中. 當目標在這些光束之間移動時, 陰影投射到接收光纖上, 導致接收光強度發生變化. 像標準光纖探頭一樣, 這會轉換為MTI-2100 Fotonic傳感器電壓輸出的變化, 這與邊緣位置有關. 這種配置在測量電腦磁碟, 磁帶的跳動或薄超聲波喇叭的位移方面特別有效. 光束直徑範圍從0.02″ (.5mm) 到0.09″ (2.3mm), 響應典型如圖11所示.

光纖邊緣探頭的典型響應曲線 (圖11)

A typical response curve for a fiber optic edge probe (Figure 11)

除了使用定制的邊緣探頭外, 標準光纖反射類型也可用於測量目標邊緣的橫向移動或振動. 由於光學峰值是性能曲線上的拐點, 因此它是光纖傳感器接收到的光不隨小目標位移而變化的區域. 利用這一特性, 傳感器可用於測量反射率或邊緣位置的變化, 而與法線方向的運動無關. 通過使目標橫穿探頭表面, 可以生成獨特的輸出曲線, 並可用於精確確定位置. 圖12顯示了光纖傳感器輸出與橫向邊緣位置的兩個示例. 請注意, 通過將探頭旋轉90度可以獲得不同的靈敏度. 不同的光纖分布也會產生不同的靈敏度, 允許傳感器滿足各種應用要求.

光纖傳感器對橫向目標運動的響應曲線 (圖12)

Fiber optic sensor response curve to lateral target motions (Figure 12)

反射補償光纖探頭由三組光纖組成, 如圖13所示. 第一組由位於中心的隨機光束組成. 該光束兩側是兩組接收光纖, 每組具有不同的數值孔徑.這兩個獨立的接收光束允許補償不同的表面反射率，從而無需像標準光纖探頭那樣進行校準. 由於它們的反射率補償能力，它們在測量具有橫向移動的目標的位移時特別有效. 反射率補償探頭也可以透過光學擴展器工作，提供類似的探頭操作距離增加，並額外具有反射率補償的優點.

反射率補償光纖感測器的典型響應曲線 (圖 13)

Typical response curve for a reflectance compensated fiber optic sensor (Figure 13)

特定探頭配置的選擇取決於應用要求. 表 1 概述了不同探頭直徑和光纖排列的性能. 從表中您將看到「隨機」型探頭的靈敏度大約是「半球形」探頭的 5-10 倍. 線性範圍也存在類似的下降. 值得注意的是，訊號雜訊比隨著光纖束直徑的增大而增加. 這是因為探頭內的光纖數量增加，從而改善了光線收集.

光纖探頭模組規格 (表 1)

Fiber optic probe module specifications (Table 1)

可為特殊應用提供客製化探頭配置. 請聯繫 MTII 的應用工程師尋求協助.

表面反射率和壓力

Fotonic 感測器可用於監測表面反射率的變化和/或光線透過介質傳輸的變化. 這對於表面光潔度比較和表面缺陷檢測應用非常有用. 此外，光纖感測器可用於壓力監測應用，其中變化的壓力會改變目標的位置或反射率. 光纖感測器的非接觸、無遲滯特性使其特別適用於換能器和高頻應用. 光纖感測器也可以在幾乎任何氣體或液體介質中操作. 真空或壓力襯套可以沿著光纖探頭束或甚至在探頭尖端本身建造，從而允許 Fotonic 感測器用於壓力/真空應用.