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光纤位移传感器在土木工程领域的应用分析
发布时间:2018-08-28   点击次数:199次
  光纤位移传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点,如灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可挠曲性、结构简单、体积小和重量轻等。所以,光纤传感器已经成为机载光学传感器的必然发展趋势。光纤位移传感器具有结构简单、精度高和响应快的优点,目前已经在土木工程领域得到了成功的应用。本文将详细介绍该种传感器的原理和用途。
  光纤位移传感器组成结构和工作原理
  1、传感器结构
  传感器的简略结构其连杆可以水平方向移动,在连杆上固定了薄膜Fizeau干涉仪(TFFI)。
  2、工作原理
  (1)光信号调制
  实际使用时将传感器与读数器(Demodulator)连接,读数器中白光二极管光源发出的光从连接读数器的光纤的一端入射,传输到连接Fabry-Perot传感器,再由多模光纤射出,照射在TFFI干涉仪(光楔)的表面。当TFFI水平移动时,照点的位置也会不同。光楔上下两个表面都镀有半反射膜,因而构成了Fabry-Perot腔体。当读数器发射的白光的一部分被个半反射镜反射后,其余的白光穿过Fabry-Perot腔体,且再一次被第二个半反射镜反射回来,两束反射光相互干涉,使得原来入射白光的光谱被调制。
  假设光楔的材料是玻璃,取其折射率n=1.6,入射白光二极管波长取为600nm~1750nm。光楔上下表面反射光的光程差为2nh,假设光源光谱所有频率光波的振幅皆为a,两束光在相遇点发生干涉时的相位差为d,光楔面的反射率为R,透射率为1-R,则合成振幅y为:y=a+aRe-iδ(1)
  据欧拉公式e-iδ=cosδ-isinδ,可得:y(t)=a(1+Rcosδ-iRsinδ)(2)
  光强与光波振幅的平方成正比,设光波相遇点的光强度为I,则:
  I=y(t)×y(t)*=a2(1+R2+2Rcosδ)(3)
  对于TFFI的某个位置,光楔面的高度为h,不同波长l的光对应的干涉相位差δ为:
  δ=(2nh/l)×2p=4pnh/l(4)
  光强I的极值为:
  I=a2(1+R2+2R)(5)
  在TFFI干涉仪中,为了形成光的反射面,需要在光楔的上下表面各镀上一层膜,而镀膜具有一定的厚度,所以镀膜上下表面的反射光将形成干涉,会影响测量结果。因此,镀膜的厚度应控制在光源中心波长的1/4,例如光源波长为600nm~1000nm,则镀膜厚度为800nm(假设镀膜材料的折射率为1),这样镀膜上下表面大部分的反射光相位差为180°,强度被衰减。
  在坐标系中,设入射点距坐标原点的距离为x,光楔的倾斜角度为a,此时对应的光楔面高度为h:
  h=7+xtga(mm)(6)
  tga=18/25000=7.2′10-4
  这里取x=12.5mm=12500mm来计算传感器调制光的强度分布,将x的值代入(6)式可得h=16mm,代入(4)式得到d,再把d代入(3)式即可得到光强I。取光源波长范围0.6mm~1.75mm,光楔镀膜反射率R=0.5,则可以得到光强分布图。
  可见,在光源光谱范围内部分波长处产生了有限个干涉极大值。显然,在光纤位移传感器所在的不同位置,TFFI对光源的调制情况是不同的,即干涉极大值对应的波长值会发生变化。在波长l较小处,干涉极大值的波峰也较密。
  (2)光信号解调
  读数器(信号调理器)的作用是对传感器送回的光信号进行解调,从中解算出位移信号。
  读数器中附带了白光光源,从多模光纤返回的光经过柱状透镜变为平行光,会投射在TFFI干涉仪的倾斜面上,而TFFI的下表面紧贴了一个对光强敏感的CCD传感器。假设单色光均匀照射在光楔的上表面,则在x方向的每一点,光楔上下表面的反射光会形成干涉,而下表面透射的光被CCD所检测。
  这里假设解调用的TFFI干涉仪结构与传感器中的完全相同,即取自同一批次的产品,这样可以消除由于光楔形位公差对测量结果的影响。
  给解调干涉仪输入调制光信号。为简单起见,这里只考虑其中光强极大值对应的波长。这些波长形成的干涉结果在CCD的长度方向上进行矢量叠加,由于是白光干涉,所以叠加的次数越多,CCD上得到的干涉条纹越细锐。
  根据仿真结果,CCD在长度为12.5mm的位置上的光强值恰好为大,与传感器中光纤处于光楔的中心位置时(x=12.5mm)正好对应。
  在光纤位移传感器位移为S时,光干涉强度大的光波在读数器的Fizeau干涉仪上也是干涉大,所以分析CCD上光强大点的所在坐标位置x=Smax,就可以得到传感器的位置S=Smax。

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