光纤反射位移检测

基本结构与工作方式

强度调制型光纤反射位移检测中，光纤只起传光作用，光强的调制发生在光纤外部，因此属于光强度外调制。探头通常由发射光纤和接收光纤组成：光源耦合进发射光纤，光从光纤端面出射后照射到反射目标；目标反射回来的部分光进入接收光纤，由光电探测器转换为电信号。反射面与探头端面之间的距离改变时，接收光纤收集到的光通量随之改变，因此测出接收光强即可得到物距变化，实现位移检测。

几何耦合与距离关系

设发射光纤和接收光纤的端面近似在同一平面内，光纤芯径为 $2a$，出射光束的半张角为 $\theta$，探头端面到平面反射镜的垂直距离为 $z$。光从发射光纤端面出发，经反射面返回接收光纤端面，等效光程使光束在返回端面时扩展。对于平面镜反射，反射耦合到光纤的光能与光纤输出光能之比可写为

其中 $K$ 为无量纲耦合比，$a$ 为光纤半径，$z$ 为探头到反射面的距离，$\theta$ 为出射光束半张角。该式表明：在发射光纤与接收光纤同轴、反射面为平面镜且返回光斑始终覆盖接收光纤端面的等效模型下，$z$ 增大时，分母增大，$K$ 减小，即接收光强随距离增大而下降。因此，仅在该等效模型及上述重叠条件成立时，接收光强与距离之间存在确定的单调关系，可用于测量距离或位移；对于发射光纤与接收光纤分开排列的实际探头，接收光强通常随距离先升后降，并非全域单调。

表面反射与粗糙度影响

反射面的表面状态直接影响返回光强。对于平面镜面反射，反射光方向性较好，耦合效率较高；对于粗糙表面，反射光发生漫反射，部分光偏离接收光纤的接收角，使受光量下降。在光纤探头与反射面距离一定时，表面粗糙度 $R_{max}$ 对受光量的影响还取决于反射角、接收方向、粗糙度尺度与波长：当粗糙散射使更多光偏离接收光纤接收角时，受光量随 $R_{max}$ 增大而减小；但若镜面反射光未对准接收端，粗糙散射也可能使进入接收光纤的光量增加，故不能普遍认为受光量单调减小。因此，实际测量中反射面粗糙度、颜色和反射率都会影响灵敏度与标定关系；若被测表面状态变化，光强变化中会混入非位移因素。

光纤排列与耦合效率

实际光纤束探头中，发射光纤与接收光纤的排列方式会影响接收光强。常见排列包括轴对称排列、对半排列、无规排列、双光纤和单光纤等。此类传感器通常采用大数值孔径的粗光纤，以提高光强的耦合效率。排列方式和数值孔径决定了接收光纤能收集到的反射光比例，从而影响位移-光强曲线的形状和灵敏度。

适用范围与限制

该方法基于接收光强随距离变化的原理，适用于反射面状态相对稳定、可提供足够反射光的位移测量。由于接收光强同时受距离、表面粗糙度、反射率、光纤排列和光源功率波动等因素影响，实际使用中需要固定或补偿这些条件。强度曲线通常不是全域单调的：在很近和较远距离处接收光强都可能较弱，中间存在一个较有利的测量区间。