淺談光纖位移傳感器組成結(jié)構(gòu)和工作原理

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特的優(yōu)點，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(diào)專利技術(shù)（US patent #5202939/#5392117），具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高和響應(yīng)快的優(yōu)點，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)

傳感器的簡略結(jié)構(gòu)如圖1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(xì)構(gòu)造如圖2所示。

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(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（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

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3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。

（2）光信號解調(diào)

讀數(shù)器（信號調(diào)理器）的作用是對傳感器送回的光信號進(jìn)行解調(diào)，從中解算出位移信號，以上過程可以用圖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)過柱狀透鏡變?yōu)槠叫泄?，會投射在TFFI干涉儀的傾斜面上，而TFFI的下表面緊貼了一個對光強敏感的 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，光楔上下表面的反射光會形成干涉，而下表面透射的光被CCD所檢測。

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測量結(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。為簡單起見，這里只考慮其中光強極大值對應(yīng)的波長。這些波長形成的干涉結(jié)果在CCD的長度方向上進(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在長度為12.5mm的位置上的光強值恰好為最大，與傳感器中光纖處于光楔的中心位置時（x=12.5mm）正好對應(yīng)。

在傳感器位移為S時，光干涉強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上光強最大點的所在坐標(biāo)位置x=Smax，就可以得到傳感器的絕對位置S=Smax。

三、 性能特點

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

（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)熱時間和恒溫控制，降低了對光源穩(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，這樣可以補償TFFI制造誤差帶來的測量誤差，通常在不加任何補償?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，所以它對環(huán)境的震動和光纖的參數(shù)變化不敏感。光楔（TFFI）一般選用對溫度不敏感的材料制造，傳感器中無透鏡，光纖的安裝不需要嚴(yán)格對準(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光探測器，CCD接收到的光強分布可以有多個極值點，但通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以保證只有一個最大點，信號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量絕對線位置和角位移，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高，工作溫度范圍寬和對振動不敏感的特點，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)動機上已經(jīng)驗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Davidson公司也正在NAVY的先進(jìn)戰(zhàn)艦SC-21上試驗這種新型的傳感器。