本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种倾斜角错位反射式强度调制型光纤传感器探头。
背景技术：
光纤传感器是20世纪70年代迅速发展起来的一种新型传感器。近几十年来，随着光纤技术的不断发展，在多种非接触测量系统中光纤传感器技术已发展成熟，反射式强度调制型(rim)光纤传感器因其稳定性、可靠性等特点广泛应用在表面形貌测量中。
测量物体表面形貌时必然会遇到曲率较大的点，此时反射光的角度会很大，若被测表面曲率变化较大点较多则进入接收光纤的光就会相对应的减小。而且rim型光纤传感器是通过光强变化来测量表面形貌的，因此对光强的补偿显得尤为重要。因而，要提高测量系统的测量景区和测量范围需要对光纤探头的结构进行改进。
目前，常见的反射式光纤传感器探头的端面以平面为主，也就是出射光纤和入射光纤的纤端在同一平面上，其内部光纤束排列主要呈随机型，平行型，同轴型和半圆型排列，各种不同的排列方式影响测量范围的大小和灵敏度的高低。对于测两物体表面形貌或者粗糙度的的光纤探头大都是单圈同轴式或者双圈同轴式的结构，这两种结构的端面都是平面，发送光纤和接受光纤在同一个平面内。因为发送光纤和接收光纤是紧密排列的，所以在同一平面内的的结构对于测量喊曲率较大的点的平面时会丢失很多数据。
对光强进行补偿时，常用的补偿结构分为两种，一种是采用三光纤补偿结构，另一种是从激光器出引入一条参考光路作为补偿。三光线补偿结构可以利用两组信息相关性与差异进行数据处理达到补偿目的，但是没有办法消除光源波动、零漂等问题。
技术实现要素：
本发明的目的旨在克服光纤传感器探头的结构的缺点和不足，提出了一种可以减小死区、增大线性测量区间、提高测量灵敏度的倾斜角错位反射式强度调制型光纤传感器探头。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种倾斜角错位反射式强度调制型光纤传感器探头，包括发送光纤1，接收光纤2，以及封装发送光纤1与接收光纤2的金属套筒；所述的发送光纤的一端与发射光的激光器连接，接收光纤和参考光路分别与光电探测器连接；其特征在于：所述的光纤传感器探头是以发送光纤中心为轴，所述的发送光纤布置在探头的中心，接收光纤与发送光纤成β角度4，并倾斜的均匀分布在发送光纤周围，接收光纤的末端和发送光纤都是紧密排列的，即所述的光纤传感器探头为同轴结构。
所述的接收光纤有六根，所述的发送光纤端面与接收光纤端面间有向内缩的错位量3。
所述的接收光纤和参考光路与光电探测器之间都采用fc连接器耦合连接。
所述的发射光纤为芯径9μm的多模光纤，接收光纤均为芯径65μm的多模光纤。
所述的接收光纤与发送光纤成倾斜角β＝2°。
所述的发送光纤端面与接收光纤端面之间的错位量为200um。
本发明与现有技术相比具有实质性特点和显著性效果：
本发明的探头结构基于单圈同轴式探头结构改良为采用包含倾斜角的错位式光纤探头结构，能够完成表面包含曲率较大的的点的有效测量，不但能够减小死区，提高灵敏度还能扩大线性测量区间的范围，极大地提高了反射式强度调制型光纤传感器的性能。
附图说明
图1是本发明倾斜角错位反射式强度调制型光纤传感器探头的结构示意图。
图2是本发明的轴测三维示意图。
图3是本发明测量系统包含参考光路的结构图。
图4是本发明包含倾斜角的错位式光纤探头与同轴式光纤探头调制特性曲线的对比图。
具体实施方式
如图1和图2所示，是本发明的一种倾斜角错位反射式强度调制型光纤传感器探头结构示意图和轴测图。本具体实施以有两层接收光纤的结构为例，以及封装发送光纤1和接收光纤2的金属套筒；本发明的保护范围不限于示例。
一种倾斜角错位反射式强度调制型光纤传感器探头由一根发送光纤，六根倾斜的接收光纤组成。发送光纤位于光纤探头的中心，六根与发送光纤成β角的倾斜接收光纤的尾端由于发送光线紧密排列。错位量h是平行于接收光纤方向往探头内部缩进h(μm)。图中，r1和r2分别为发送光纤和接收光纤半径，θ为发送光纤的最大出射角，θ＝arcsin(na),na为发送光纤的的数值孔径。d为光纤探头和反射面之间的距离。
发送光纤和接收光纤之间的缝隙，相对位置固定后可由金属套筒封装为光纤传感器的探头。
如图3所示，本发明一种倾斜角错位反射式强度调制型光纤传感器的测量系统，该系统包括上位机、光源(激光器)、光电探测器、本发明的光纤传感器探头，以及被测物体；
本发明的光纤传感器探头的发送光纤的一端与激光器的尾纤耦合连接，另一端分成两路，一路作为光纤探头中的发送光纤，另一路作为参考光路，此处采用损耗极小的融合光纤。六根接收光纤和参考光路分别与光电探测器的两个端口采用fc连接器耦合连接。接收光纤携带了波长为1550nm，光强为i(r)
的高斯光经由被测物体表面反射的信息；其中：p0为激光器的功率,w(2d)为出射光在距离发送光纤端面2d处的光束半径，d为光纤探头和反射面之间的距离。r为径向积分变量。
参考光路则只携带光源信息，经过光电探测器得出的两路信号作比值可以消除由光源波动和漂移给测量系统带来的误差。经过比值之后的数据信息就是位移和光强之间的关系，即调制特性曲线。可以利用此对应关系来对被测物体表面进行扫描，还原被测表面形貌。
实验测量系统，采用lr-sfj-1550/10mw的激光器，jw101台式光电探测器。发送光纤采用直径为9μm包层直径为125μm数值孔径为na＝0.12的单模光纤，接收光纤采用直径为65μm包层直径为125μm的多模光纤。之所以单模光纤和多模光纤的端头呈紧密排列，是因为间隙会引起死区的增大和灵敏度的减小。单模光纤的最大出射角θ＝arcsin(na)。实验中采用数值孔径na＝0.17,因此发送光纤的最大出射角为6°。错位量选用h＝200μm，倾斜角β＝2°进行仿真实验。
通过仿真实验可以得出调制特性曲线，如图4所示。通过与端面为平面的同轴式光纤探头的调制特性曲线的对比可以看出，包含倾斜角β＝2的错位式光纤探头结构调制特性曲线的死区由原来的92.4μm减小到15.5μm，死区的减小有利于测量粗糙度较小的表面。峰值由原来的2.38×10-2增大到了3.37×10-2。前坡线性测量区间和后坡线性测量区间分别增加了60μm和37μm.。灵敏度有最小二乘法拟合可得，提高到了1.94×10-4对比于同轴式的光纤探头提高了近2倍。
因此包含倾斜角的错位式光纤探头结构确实提高了反射式强度调制型光纤传感器的性能。