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(jiǎn)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(shì)。

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(jiǎn)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(jiǎn)略結(jié)構(gòu)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(xì)構(gòu)造如圖2所示。

2、工作原理

(1)光信號(hào)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(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(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(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(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(zhǎng)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(duì)于TFFI的某個(gè)位置，光楔面的高度為h，不同波長(zhǎng)l的光對(duì)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)

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(huì)影響測(cè)量結(jié) 果。因此，鍍膜的厚度應(yīng)控制在光源中心波長(zhǎng)的1/4，例如光源波長(zhǎng)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(duì)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)光源的調(diào)制情況是不同的，即干涉極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值會(huì)發(fā)生變化。在波長(zhǎng)l較小處，干涉極大值的波峰也較密。

(2)光信號(hào)解調(diào)

讀數(shù)器(信號(hào)調(diào)理器)的作用是對(duì)傳感器送回的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從中解算出位移信號(hào)，以上過(guò)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(guò)柱狀透鏡變?yōu)槠叫泄?，?huì)投射在TFFI干涉儀的傾斜面上，而TFFI的下表面緊貼了一個(gè)對(duì)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(huì)形成干涉，而下表面透射的光被CCD所檢測(cè)。

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(duì)測(cè)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(hào)。為簡(jiǎn)單起見，這里只考慮其中光強(qiáng)極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。這些波長(zhǎng)形成的干涉結(jié)果在CCD的長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)位置S=Smax。

三、 性能特點(diǎn)

根據(jù)前面的分析和有關(guān)資料，白光位移傳感器可以測(cè)量絕對(duì)位置，它具有如下特點(diǎn)：

(1)使用白光二極管光源而不是激光光源，因此不需要激光二極管所必須的預(yù)熱時(shí)間和恒溫控制，降低了對(duì)光源穩(wěn)定性的要求，而且白光LED的壽命也比激光二極管LD長(zhǎng)得多;

(2)傳感器和讀數(shù)器內(nèi)部使用了結(jié)構(gòu)相同的楔形薄膜干涉儀TFFI，這樣可以補(bǔ)償TFFI制造誤差帶來(lái)的測(cè)量誤差，通常在不加任何補(bǔ)償?shù)那闆r下得到的最大線性誤差為滿量程的0.15%;

(3)TFFI的制造工藝復(fù)雜，目前只能提供量程為20mm的位移傳感器，更大尺寸的TFFI制造困難，限制了這種傳感器量程的提高;

(4)這種傳感器本質(zhì)上是利用光楔上下表面的光程差進(jìn)行工作的，所以它對(duì)環(huán)境的震動(dòng)和光纖的參數(shù)變化不敏感。光楔(TFFI)一般選用對(duì)溫度不敏感的材料制造，傳感器中無(wú)透鏡，光纖的安裝不需要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，因此它可以在惡劣的環(huán)境下工作;

(5)讀數(shù)器內(nèi)可以使用CCD或PSD光探測(cè)器，CCD接收到的光強(qiáng)分布可以有多個(gè)極值點(diǎn)，但通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證只有一個(gè)最大點(diǎn)，信號(hào)處理使用求極大值的算法。

這種傳感器的主要性能指標(biāo)如表1所示：

四、 結(jié)論和展望

采用白光干涉原理的光纖位置傳感器可以測(cè)量絕對(duì)線位置和角位移，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高，工作溫度范圍寬和對(duì)振動(dòng)不敏感的特點(diǎn)，所以有希望在光傳系統(tǒng)中得到應(yīng)用。目前ATK Aerospace公司的 Thiokol Propulsion噴氣推進(jìn)分部在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)驗(yàn)證了這種白光干涉型線位移傳感器，并得到了滿意的結(jié)果，美國(guó)Davidson公司也正在NAVY的先進(jìn)戰(zhàn)艦SC-21上試驗(yàn)這種新型的傳感器。