基于光纖位移傳感器的工作原理與仿真

一、引言

光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、防爆、光路有可撓曲性、結(jié)構(gòu)簡單、體積小和重量輕等。所以，光纖傳感器已經(jīng)成為機(jī)載光學(xué)傳感器的必然發(fā)展趨勢。

加 拿大Roctest公司生產(chǎn)了一種商業(yè)用途的光纖位移傳感器(Fiber-Optic Linear Position Displacement Sensor, FO-LPDS)，這種傳感器使用了Fizeau干涉儀解調(diào)專利技術(shù)(US patent #5202939/#5392117)，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高和響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在土木工程領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹該種傳感器的原理 和用途。

二、 組成結(jié)構(gòu)和工作原理

1、傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器的簡略結(jié)構(gòu)如圖1所示，其連桿可以水平方向移動，在連桿上固定了薄膜Fizeau干涉儀(TFFI)，它的詳細(xì)構(gòu)造如圖2所示。

2、工作原理

(1)光信號調(diào)制

實(shí)際使用時(shí)將傳感器與讀數(shù)器(Demodulator)連接，讀數(shù)器中白光二極管光源發(fā)出的光從連接讀數(shù)器的光纖的一端入射，傳輸?shù)竭B接Fabry- Perot傳感器，再由多模光纖射出，照射在TFFI干涉儀(光楔)的表面。當(dāng)TFFI水平移動時(shí)，照點(diǎn)的位置也會不同。光楔上下兩個表面都鍍有半反射 膜，因而構(gòu)成了Fabry-Perot腔體。當(dāng)讀數(shù)器發(fā)射的白光的一部分被第一個半反射鏡反射后，其余的白光穿過Fabry-Perot腔體，且再一次被 第二個半反射鏡反射回來，兩束反射光相互干涉，使得原來入射白光的光譜被調(diào)制。

假設(shè)光楔的材料是玻璃，取其折射率n=1.6，入射白光二極管波長范圍根據(jù)文獻(xiàn)[1]取為600nm～1750nm。根據(jù)圖2，光楔上下表面反射光的光程差為2nh，假設(shè)光源光譜所有頻率光波的振幅皆為a，兩束光在相遇點(diǎn)發(fā)生干涉時(shí)的相位差為d，光楔面的反射率為R，透射率為1-R，則合成振幅y為：y=a+aRe-iδ (1)

據(jù)歐拉公式e-iδ=cosδ-isinδ，可得：y(t)=a(1+ Rcosδ-iRsinδ) (2)

光強(qiáng)與光波振幅的平方成正比，設(shè)光波相遇點(diǎn)的光強(qiáng)度為I，則：

I=y(t)×y(t)*=a2(1+R2+2Rcosδ) (3)

對于TFFI的某個位置，光楔面的高度為h，不同波長l的光對應(yīng)的干涉相位差δ為：

δ=(2nh/l)×2p=4pnh/l (4)

光強(qiáng)I的極值為：

I=a2(1+R2+2R) (5)