基于光纖位移傳感器的工作原理與仿真

一、引言

光纖傳感器與傳統的各類(lèi)傳感器相比有一系列獨特的優(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、結構簡(jiǎn)單、體積小和重量輕等。所以，光纖傳感器已經(jīng)成為機載光學(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干涉儀解調專(zhuān)利技術(shù)(US patent #5202939/#5392117)，具有結構簡(jiǎn)單、精度高和響應快的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在土木工程領(lǐng)域得到了成功的應用。本文將詳細介紹該種傳感器的原理 和用途。

二、 組成結構和工作原理

1、傳感器結構

傳感器的簡(jiǎn)略結構如圖1所示，其連桿可以水平方向移動(dòng)，在連桿上固定了薄膜Fizeau干涉儀(TFFI)，它的詳細構造如圖2所示。

2、工作原理

(1)光信號調制

實(shí)際使用時(shí)將傳感器與讀數器(Demodulator)連接，讀數器中白光二極管光源發(fā)出的光從連接讀數器的光纖的一端入射，傳輸到連接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TFFI水平移動(dòng)時(shí)，照點(diǎn)的位置也會(huì )不同。光楔上下兩個(gè)表面都鍍有半反射 膜，因而構成了Fabry-Perot腔體。當讀數器發(fā)射的白光的一部分被第一個(gè)半反射鏡反射后，其余的白光穿過(guò)Fabry-Perot腔體，且再一次被 第二個(gè)半反射鏡反射回來(lái)，兩束反射光相互干涉，使得原來(lái)入射白光的光譜被調制。

假設光楔的材料是玻璃，取其折射率n=1.6，入射白光二極管波長(cháng)范圍根據文獻[1]取為600nm～1750nm。根據圖2，光楔上下表面反射光的光程差為2nh，假設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)

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

光強與光波振幅的平方成正比，設光波相遇點(diǎn)的光強度為I，則：

I=y(t)×y(t)*=a2(1+R2+2Rcosδ) (3)

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

δ=(2nh/l)×2p=4pnh/l (4)

光強I的極值為：

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