高灵敏度光纤角位移传感器及其在超声检测中的应用

在本文中，我们报告了一种用于角位移测量的强度调制光纤传感器的研发。该传感器被设计为具有高灵敏度、线性响应、宽带宽，并且结构简单、成本低廉。该传感器由两根光纤、一个正透镜、一个反射面、一个光源和一个光电探测器组成。我们建立了一个数学模型来确定和模拟传感器的静态特性曲线，并比较了不同光纤芯半径的传感器配置。仿真结果表明，所测试的传感器配置对小角度变化（在微弧度量级范围内）具有高灵敏度，且非线性度小于等于 1\%。归一化灵敏度范围为 $(0.25\times V_{\rm max})$ 至 $(2.40\times V_{\rm max})$ mV/$\mu$rad（其中 $V_{\rm max}$ 为静态特性曲线的峰值电压），线性范围为 194 至 1840 $\mu$rad。对于反射率为 100\% 的反射面，测得的非归一化灵敏度为 7.7 mV/$\mu$rad。将仿真与实验结果进行了比较，以验证数学模型并确定最适合超声检测的配置。该传感器被测试用于压电换能器的表征，并作为激光超声装置的一部分。在铝样品上测得的纵波、剪切波和表面波速度分别为 6.43 mm/$\mu$s、3.17 mm/$\mu$s 和 2.96 mm/$\mu$s，误差小于 1.3\%。该传感器被证明适合用于检测超声波、进行飞行时间测量和无损检测，是压电探测器或干涉探测器的替代方案。