登錄
注冊(cè)
RFID世界網(wǎng) >
技術(shù)文章 >
航空 >
正文
基于光纖位移傳感器的工作原理與仿真
作者：RFID世界網(wǎng) 收編
來(lái)源：維庫(kù)開(kāi)發(fā)網(wǎng)
日期：2010-07-07 15:06:41
摘要：本文分析了一種商用白光干涉光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并且在Matlab環(huán)境下對(duì)傳感器和讀數(shù)器的光信號(hào)處理過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到了傳感器位移與讀數(shù)器中Fizeau干涉儀光強(qiáng)分布之間的關(guān)系，并討論了傳感器信號(hào)解調(diào)的基本算法。最后展望了這種傳感器在航空工業(yè)中的應(yīng)用前景。
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。
?。?）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(tǒng)(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。
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。
?。?）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(tǒng)(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。
