基于光纖位移傳感器的工作原理與仿真

在 TFFI干涉儀中，為了形成光的反射面，需要在光楔的上下表面各鍍上一層膜，而鍍膜具有一定的厚度，所以鍍膜上下表面的反射光將形成干涉，會影響測量結(jié) 果。因此，鍍膜的厚度應(yīng)控制在光源中心波長的1/4，例如光源波長為600nm~1000nm，則鍍膜厚度為800nm(假設(shè)鍍膜材料的折射率為1)，這 樣鍍膜上下表面大部分的反射光相位差為180°，強(qiáng)度被衰減。

在圖2所示的坐標(biāo)系中，設(shè)入射點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為x，光楔的傾斜角度為a，此時(shí)對應(yīng)的光楔面高度為h：

h=7+xtga (mm) (6)

tga=18/25000=7.2′10-4

這里取x=12.5mm=12500mm來計(jì)算傳感器調(diào)制光的強(qiáng)度分布，將x的值代入(6)式可得h=16mm，代入(4)式得到d，再把d代入(3)式即可得到光強(qiáng)I。取光源波長范圍0.6mm～1.75mm，光楔鍍膜反射率R=0.5，則可以得到如圖3所示的光強(qiáng)分布圖。

可見，在光源光譜范圍內(nèi)部分波長處產(chǎn)生了有限個(gè)干涉極大值。顯然，在傳感器所在的不同位置，TFFI對光源的調(diào)制情況是不同的，即干涉極大值對應(yīng)的波長值會發(fā)生變化。在波長l較小處，干涉極大值的波峰也較密。

(2)光信號解調(diào)

讀數(shù)器(信號調(diào)理器)的作用是對傳感器送回的光信號進(jìn)行解調(diào)，從中解算出位移信號，以上過程可以用圖4表示。

讀數(shù)器中附帶了白光光源，從多模光纖返回的光經(jīng)過柱狀透鏡變?yōu)槠叫泄猓瑫渡湓赥FFI干涉儀的傾斜面上，而TFFI的下表面緊貼了一個(gè)對光強(qiáng)敏感的 CCD傳感器。如圖5所示，假設(shè)單色光均勻照射在光楔的上表面，則在x方向的每一點(diǎn)，光楔上下表面的反射光會形成干涉，而下表面透射的光被CCD所檢測。

這里假設(shè)解調(diào)用的TFFI干涉儀結(jié)構(gòu)與傳感器中的完全相同，即取自同一批次的產(chǎn)品，這樣可以消除由于光楔形位公差對測量結(jié)果的影響。

給解調(diào)干涉儀輸入圖3所示的調(diào)制光信號。為簡單起見，這里只考慮其中光強(qiáng)極大值對應(yīng)的波長。這些波長形成的干涉結(jié)果在CCD的長度方向上進(jìn)行矢量疊加，由 于是白光干涉，所以疊加的次數(shù)越多，CCD上得到的干涉條紋越細(xì)銳。Matlab下的仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，CCD在長度為12.5mm的位置上的光強(qiáng)值恰好為最大，與傳感器中光纖處于光楔的中心位置時(shí)(x=12.5mm)正好對應(yīng)。

在傳感器位移為S時(shí)，光干涉強(qiáng)度最大的光波在讀數(shù)器的Fizeau干涉儀上也是干涉最大，所以分析CCD上光強(qiáng)最大點(diǎn)的所在坐標(biāo)位置x=Smax，就可以得到傳感器的絕對位置S=Smax。