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基于光纤位移传感器的工作原理与仿真

导读: 本文分析了一种商用白光干涉光纤位移传感器的结构和工作原理,并且在Matlab环境下对传感器和读数器的光信号处理过程进行了仿真,得到了传感器位移与读 数器中Fizeau干涉仪光强分布之间的关系,并讨论了传感器信号解调的基本算法。最后展望了这种传感器在航空工业中的应用前景。

  摘要:本文分析了一种商用白光干涉光纤位移传感器的结构和工作原理,并且在Matlab环境下对传感器和读数器的光信号处理过程进行了仿真,得到了传感器位移与读 数器中Fizeau干涉仪光强分布之间的关系,并讨论了传感器信号解调的基本算法。最后展望了这种传感器在航空工业中的应用前景。

 

  一、引言

 

  光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点,如灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可挠曲性、结构简单、体积小和重量轻等。所以,光纤传感器已经成为机载光学传感器的必然发展趋势。

  加 拿大Roctest公司生产了一种商业用途的光纤位移传感器(Fiber-Optic Linear Position & Displacement Sensor, FO-LPDS),这种传感器使用了Fizeau干涉仪解调专利技术(US patent #5202939/#5392117),具有结构简单、精度高和响应快的优点,目前已经在土木工程领域得到了成功的应用。本文将详细介绍该种传感器的原理 和用途。

 

  二、 组成结构和工作原理

 

  1、传感器结构

  传感器的简略结构如图1所示,其连杆可以水平方向移动,在连杆上固定了薄膜Fizeau干涉仪(TFFI),它的详细构造如图2所示。

 

  

  

 

  2、工作原理

 

  (1)光信号调制

  实际使用时将传感器与读数器(Demodulator)连接,读数器中白光二极管光源发出的光从连接读数器的光纤的一端入射,传输到连接Fabry- Perot传感器,再由多模光纤射出,照射在TFFI干涉仪(光楔)的表面。当TFFI水平移动时,照点的位置也会不同。光楔上下两个表面都镀有半反射 膜,因而构成了Fabry-Perot腔体。当读数器发射的白光的一部分被第一个半反射镜反射后,其余的白光穿过Fabry-Perot腔体,且再一次被 第二个半反射镜反射回来,两束反射光相互干涉,使得原来入射白光的光谱被调制。

  假设光楔的材料是玻璃,取其折射率n=1.6,入射白光二极管波长范围根据文献[1]取为600nm~1750nm。根据图2,光楔上下表面反射光的光程差为2nh,假设光源光谱所有频率光波的振幅皆为a,两束光在相遇点发生干涉时的相位差为d,光楔面的反射率为R,透射率为1-R,则合成振幅y为:y=a+aRe-iδ (1)

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

  光强与光波振幅的平方成正比,设光波相遇点的光强度为I,则:

  I=y(t)×y(t)*=a2(1+R2+2Rcosδ) (3)

  对于TFFI的某个位置,光楔面的高度为h,不同波长l的光对应的干涉相位差δ为:

  δ=(2nh/l)×2p=4pnh/l (4)

  光强I的极值为:

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

  在 TFFI干涉仪中,为了形成光的反射面,需要在光楔的上下表面各镀上一层膜,而镀膜具有一定的厚度,所以镀膜上下表面的反射光将形成干涉,会影响测量结 果。因此,镀膜的厚度应控制在光源中心波长的1/4,例如光源波长为600nm~1000nm,则镀膜厚度为800nm(假设镀膜材料的折射率为1),这 样镀膜上下表面大部分的反射光相位差为180°,强度被衰减。

  在图2所示的坐标系中,设入射点距坐标原点的距离为x,光楔的倾斜角度为a,此时对应的光楔面高度为h:

  h=7+xtga (mm) (6)

  tga=18/25000=7.2′10-4

  这里取x=12.5mm=12500mm来计算传感器调制光的强度分布,将x的值代入(6)式可得h=16mm,代入(4)式得到d,再把d代入(3)式即可得到光强I。取光源波长范围0.6mm~1.75mm,光楔镀膜反射率R=0.5,则可以得到如图3所示的光强分布图。

 

  

 

  可见,在光源光谱范围内部分波长处产生了有限个干涉极大值。显然,在传感器所在的不同位置,TFFI对光源的调制情况是不同的,即干涉极大值对应的波长值会发生变化。在波长l较小处,干涉极大值的波峰也较密。

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