Fabry-Perot光纖位移傳感器的工作原理與仿真
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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。
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。
2、工作原理
（1）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Fabry-Perot腔體，且再一次被第二個(gè)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。
這里取x12.5mm=12500mm來計(jì)算傳感器調(diào)制光的強(qiáng)度分布，將x6）式可得h16mm，代入（4）式得到d3）式即可得到光強(qiáng)I0.6mm～1.75mm，光楔鍍膜反射率R0.5，則可以得到如圖3所示的光強(qiáng)分布圖。
可見，在光源光譜范圍內(nèi)部分波長(zhǎng)處產(chǎn)生了有限個(gè)干涉極大值。顯然，在傳感器所在的不同位置，TFFI對(duì)光源的調(diào)制情況是不同的，即干涉極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值會(huì)發(fā)生變化。在波長(zhǎng)l較小處，干涉極大值的波峰也較密。＝。取光源波長(zhǎng)范圍，再把d代入（＝的值代入（＝
（1）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Fabry-Perot腔體，且再一次被第二個(gè)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(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）
y=a+aRe-iδ （1）
據(jù)歐拉公式e-iδ＝cosδ－isinδ，可得：
y（t）=a（1+ Rcosδ－iRsinδ） （2）
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
可見，在光源光譜范圍內(nèi)部分波長(zhǎng)處產(chǎn)生了有限個(gè)干涉極大值。顯然，在傳感器所在的不同位置，TFFI對(duì)光源的調(diào)制情況是不同的，即干涉極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值會(huì)發(fā)生變化。在波長(zhǎng)l較小處，干涉極大值的波峰也較密。＝。取光源波長(zhǎng)范圍，再把d代入（＝的值代入（＝
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（2）光信號(hào)解調(diào)
讀數(shù)器（信號(hào)調(diào)理器）的作用是對(duì)傳感器送回的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從中解算出位移信號(hào)，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?，?huì)投射在TFFI干涉儀的傾斜面上，而TFFI的下表面緊貼了一個(gè)對(duì)光強(qiáng)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(diǎn)，光楔上下表面的反射光會(huì)形成干涉，而下表面透射的光被CCD所檢測(cè)。
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(duì)測(cè)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(hào)。為簡(jiǎn)單起見，這里只考慮其中光強(qiáng)極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。這些波長(zhǎng)形成的干涉結(jié)果在CCD的長(zhǎng)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(zhǎng)度為12.5mm的位置上的光強(qiáng)值恰好為最大，與傳感器中光纖處于光楔的中心位置時(shí)（x）正好對(duì)應(yīng)。
在傳感器位移為SFizeau干涉儀上也是干涉最大，所以分析CCD上光強(qiáng)最大點(diǎn)的所在坐標(biāo)位置x＝Smax，就可以得到傳感器的絕對(duì)位置S＝Smax。時(shí)，光干涉強(qiáng)度最大的光波在讀數(shù)器的=12.5mm
三、 性能特點(diǎn)
根據(jù)前面的分析和有關(guān)資料，白光位移傳感器可以測(cè)量絕對(duì)位置，它具有如下特點(diǎn)：
（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(shí)間和恒溫控制，降低了對(duì)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(zhǎng)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(bǔ)償TFFI制造誤差帶來的測(cè)量誤差，通常在不加任何補(bǔ)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(duì)環(huán)境的震動(dòng)和光纖的參數(shù)變化不敏感。光楔（TFFI）一般選用對(duì)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(duì)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(cè)器，CCD接收到的光強(qiáng)分布可以有多個(gè)極值點(diǎn)，但通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證只有一個(gè)最大點(diǎn)，信號(hào)處理使用求極大值的算法。
（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(shí)間和恒溫控制，降低了對(duì)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(zhǎng)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(bǔ)償TFFI制造誤差帶來的測(cè)量誤差，通常在不加任何補(bǔ)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(duì)環(huán)境的震動(dòng)和光纖的參數(shù)變化不敏感。光楔（TFFI）一般選用對(duì)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(duì)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(cè)器，CCD接收到的光強(qiáng)分布可以有多個(gè)極值點(diǎn)，但通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證只有一個(gè)最大點(diǎn)，信號(hào)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(cè)量絕對(duì)線位置和角位移，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高，工作溫度范圍寬和對(duì)振動(dòng)不敏感的特點(diǎn)，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(dòng)機(jī)上已經(jīng)驗(yàn)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(yàn)這種新型的傳感器。
參考文獻(xiàn)：
[1] Richard L.Lopushansky, All-optical shipboard sensing system[DB/OL]. http:// www.FISO.com.
[2]加拿大ROCTEST光纖傳感器原理及產(chǎn)品簡(jiǎn)介[Z]，歐美大地儀器設(shè)備中國有限公司.
[3] 廖延彪. 光纖光學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2000年3月第一版.
[4] Raymond w.Huggins. Fiber Optic sensors[C], NASA Conference Publication 120166, 1994Fiber optic sensors for aerospace technology(FOSAT) workshop: 67～79,1994.
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[4] Raymond w.Huggins. Fiber Optic sensors[C], NASA Conference Publication 120166, 1994Fiber optic sensors for aerospace technology(FOSAT) workshop: 67～79,1994.
The Principle and Simulation of Fabry-Petrot Fiber-Optic Linear Position and Displacement Sensor
Abstract：demodulator is carried out in Matlab environment. The research confirms that displacement corresponds with optical intensity distribution of interferometer. Furthermore, the algorithm of optical demodulator is discussed. At last, perspective of its application in aviation is explored.A commercial version of FO-LPDS(Fiber-Optic Linear Position Displacement Sensor) is described in the paper. Based on the analysis of its mechanism and working principle, simulation on the optical signal processing of sensor and
Keywords：fiber optic sensor; white light interferometer; Fizeau interferometer; Fabry-Perot cavity
吳忠，博士，中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司第六一八研究所工程師。
通信地址：陜西省西安市41號(hào)信箱 郵政編碼：710065
聯(lián)系電話：029-88398205 E-mail：zwu@facri.com
劉元度，研究員，中國航空工業(yè)第618研究所，長(zhǎng)期從事航空電機(jī)和傳感器技術(shù)的研究。
通訊地址：陜西省41號(hào)信箱飛控部 郵編：710065
E-mail：ydliu@facri.com
嚴(yán)吉中，研究員，中國航空工業(yè)第618研究所，長(zhǎng)期從事光傳感器研究。
作者簡(jiǎn)介：
通訊地址：陜西省41號(hào)信箱慣導(dǎo)部，郵編：710065，jzyan@facri.com
邵樂峰，工程師，迪恩市電子有限公司北京辦事處
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劉元度，研究員，中國航空工業(yè)第618研究所，長(zhǎng)期從事航空電機(jī)和傳感器技術(shù)的研究。
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嚴(yán)吉中，研究員，中國航空工業(yè)第618研究所，長(zhǎng)期從事光傳感器研究。
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