加拿大Roctest公司光纖位移傳感器的工作原理及其仿真|埃登威自動化系統設備(上海)有限公司
加拿大Roctest公司光纖位移傳感器的工作原理及其仿真應用介紹
        為你分享:《光纖位移傳感器的工作原理及其仿真》
 一、引言
光纖傳感器與傳統的各類傳感器相比有一系列獨特的優點,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、結構簡單、體積小和重量輕等。所以,光纖傳感器已經成為機載光學傳感器的必然發展趨勢。其他產品:微量氧分析儀,藥品殘氧儀,露點儀,熱導氣體分析儀,GE流量計,OX-1氧傳感器,頂空分析儀,紅外氣體分析儀,高溫濕度儀,西門子U23分析儀,ppb微量水分析儀,OXY.IQ氧分析儀,煙氣濕度儀,燃氣熱值儀,Kaye溫度驗證儀,L&W白度,儀激光氧分析儀,壓縮空氣露點儀,干燥機露點儀,激光氣體分析儀,便攜式露點儀,便攜式微量氧分析|中國分公司
加 拿大Roctest公司生產了一種商業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干涉儀解調磚利技術(US patent #5202939/#5392117),具有結構簡單、精度高和響應快的優點,目前已經在土木工程領域得到了成功的應用。本文將詳細介紹該種傳感器的原理 和用途。加拿大Roctest公司光纖位移傳感器的工作原理及其仿真
 
二、 組成結構和工作原理
1、傳感器結構
傳感器的簡略結構如圖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),它的詳細構造如圖2所示。
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 2、工作原理
(1)光信號調制
實際使用時將傳感器與讀數器(Demodulator)連接,讀數器中白光二極管光源發出的光從連接讀數器的光纖的一端入射,傳輸到連接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,因而構成了Fabry-Perot腔體。當讀數器發射的白光的一部分被**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制。
假設光楔的材料是玻璃,取其折射率n=1.6,入射白光二極管波長范圍根據文獻[1]取為600nm~1750nm。根據圖2,光楔上下表面反射光的光程差為2nh,假設光源光譜所有頻率光波的振幅皆為a,兩束光在相遇點發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的光對應的干涉相位差δ為:加拿大Roctest公司光纖位移傳感器的工作原理及其仿真
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 果。因此,鍍膜的厚度應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所示的坐標系中,設入射點距坐標原點的距離為x,光楔的傾斜角度為a,此時對應的光楔面高度為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。加拿大Roctest公司光纖位移傳感器的工作原理及其仿真
 

可見,在光源光譜范圍內部分波長處產生了有限個干涉極大值。顯然,在傳感器所在的不同位置,TFFI對光源的調制情況是不同的,即干涉極大值對應的波長值會發生變化。在波長l較小處,干涉極大值的波峰也較密。 

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