光纖位移傳感器仿真

一、 組成結(jié)構(gòu)和工作原理

1、傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器的簡略結(jié)構(gòu)如圖所示，其連桿可以水平方向移動，在連桿上固定了薄膜Fizeau干涉儀（TFFI），它的詳細構(gòu)造如圖所示。

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2、工作原理

（1）光信號調(diào)制

實際使用時將傳感器與讀數(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水平移動時，照點的位置也會不同。光楔上下兩個表面都鍍有半反射 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半反射鏡反射后，其余的白光穿過Fabry-Perot腔體，且再一次被 第二個半反射鏡反射回來，兩束反射光相互干涉，使得原來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范圍根據(jù)文獻[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，兩束光在相遇點發(fā)生干涉時的相位差為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）

光強與光波振幅的平方成正比，設(shè)光波相遇點的光強度為I，則：

I＝y(tǒng)(t)×y(t)*＝a2(1+R2+2Rcosδ)???????????????? （3）

對于TFFI的某個位置，光楔面的高度為h，不同波長l的光對應(yīng)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）

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°，強度被衰減。

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

h＝7＋xtga （mm）???????????????????????? （6）

tga＝18/25000＝7.2′10-4

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這里取x＝12.5mm=12500mm來計算傳感器調(diào)制光的強度分布，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，則可以得到如圖所示的光強分布圖。

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。