基於光纖位移傳感器的工作原理與仿真

2020-11-23 OFweek

　　（2）光信號解調

　　讀數器（信號調理器）的作用是對傳感器送回的光信號進行解調，從中解算出位移信號，以上過程可以用圖4表示。

 

　　

 

　　讀數器中附帶了白光光源，從多模光纖返回的光經過柱狀透鏡變為平行光，會投射在TFFI幹涉儀的傾斜面上，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幹涉，而下表面透射的光被CCD所檢測。

 

　　

 

　　這裡假設解調用的TFFI幹涉儀結構與傳感器中的完全相同，即取自同一批次的產品，這樣可以消除由於光楔形位公差對測量結果的影響。

　　給解調幹涉儀輸入圖3所示的調製光信號。為簡單起見，這裡只考慮其中光強極大值對應的波長。這些波長形成的幹涉結果在CCD的長度方向上進行矢量疊加，由 於是白光幹涉，所以疊加的次數越多，CCD上得到的幹涉條紋越細銳。Matlab下的仿真結果如圖6所示。

 

　　

 

　　根據仿真結果，CCD在長度為12.5mm的位置上的光強值恰好為最大，與傳感器中光纖處於光楔的中心位置時（x=12.5mm）正好對應。

　　在傳感器位移為S時，光幹涉強度最大的光波在讀數器的Fizeau幹涉儀上也是幹涉最大，所以分析CCD上光強最大點的所在坐標位置x＝Smax，就可以得到傳感器的絕對位置S＝Smax。

 

　　三、 性能特點

 

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

　　（1）使用白光二極體光源而不是雷射光源，因此不需要雷射二極體所必須的預熱時間和恆溫控制，降低了對光源穩定性的要求，而且白光LED的壽命也比雷射二極體LD長得多；

　　（2）傳感器和讀數器內部使用了結構相同的楔形薄膜幹涉儀TFFI，這樣可以補償TFFI製造誤差帶來的測量誤差，通常在不加任何補償的情況下得到的最大線性誤差為滿量程的0.15%；

　　（3）TFFI的製造工藝複雜，目前只能提供量程為20mm的位移傳感器，更大尺寸的TFFI製造困難，限制了這種傳感器量程的提高；

　　（4）這種傳感器本質上是利用光楔上下表面的光程差進行工作的，所以它對環境的震動和光纖的參數變化不敏感。光楔（TFFI）一般選用對溫度不敏感的材料製造，傳感器中無透鏡，光纖的安裝不需要嚴格對準，因此它可以在惡劣的環境下工作；

　　（5）讀數器內可以使用CCD或PSD光探測器，CCD接收到的光強分布可以有多個極值點，但通過合理的結構設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如表1所示：

 

　　

 

　　四、 結論和展望

 

　　採用白光幹涉原理的光纖位置傳感器可以測量絕對線位置和角位移，而且具有結構簡單、精度高，工作溫度範圍寬和對振動不敏感的特點，所以有希望在光傳系統中得到應用。目前ATK Aerospace公司的 Thiokol Propulsion噴氣推進分部在火箭發動機上已經驗證了這種白光幹涉型線位移傳感器，並得到了滿意的結果，美國Davidson公司也正在NAVY的先進戰艦SC－21上試驗這種新型的傳感器。

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