技術(shù)文章
Article光纖位移傳感器在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用分析
更新時(shí)間：2018-08-28 點(diǎn)擊次數(shù)：1766次
光纖位移傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列*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。光纖位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、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。
光纖位移傳感器組成結(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)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)。
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取為600nm～1750nm。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)
據(jù)歐拉公式e-iδ=cosδ-isinδ，可得：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(t)×y(t)*=a2(1+R2+2Rcosδ)(3)
對于TFFI的某個(gè)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(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(qiáng)度被衰減。
在坐標(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(jì)算傳感器調(diào)制光的強(qiáng)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(qiáng)I。取光源波長范圍0.6mm～1.75mm，光楔鍍膜反射率R=0.5，則可以得到光強(qiáng)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(gè)干涉極大值。顯然，在光纖位移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(huì)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(hào)解調(diào)
讀數(shù)器(信號(hào)調(diào)理器)的作用是對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)。
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)對光強(qiáng)敏感的CCD傳感器。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。
這里假設(shè)解調(diào)用的TFFI干涉儀結(jié)構(gòu)與傳感器中的*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)干涉儀輸入調(diào)制光信號(hào)。為簡單起見，這里只考慮其中光強(qiáng)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。
根據(jù)仿真結(jié)果，CCD在長度為12.5mm的位置上的光強(qiáng)值恰好為大，與傳感器中光纖處于光楔的中心位置時(shí)(x=12.5mm)正好對應(yīng)。
在光纖位移傳感器位移為S時(shí)，光干涉強(qiáng)度大的光波在讀數(shù)器的Fizeau干涉儀上也是干涉大，所以分析CCD上光強(qiáng)大點(diǎn)的所在坐標(biāo)位置x=Smax，就可以得到傳感器的位置S=Smax。
光纖位移傳感器組成結(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)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)。
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取為600nm～1750nm。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)
據(jù)歐拉公式e-iδ=cosδ-isinδ，可得：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(t)×y(t)*=a2(1+R2+2Rcosδ)(3)
對于TFFI的某個(gè)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(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(qiáng)度被衰減。
在坐標(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(jì)算傳感器調(diào)制光的強(qiáng)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(qiáng)I。取光源波長范圍0.6mm～1.75mm，光楔鍍膜反射率R=0.5，則可以得到光強(qiáng)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(gè)干涉極大值。顯然，在光纖位移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(huì)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(hào)解調(diào)
讀數(shù)器(信號(hào)調(diào)理器)的作用是對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)。
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)對光強(qiáng)敏感的CCD傳感器。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。
這里假設(shè)解調(diào)用的TFFI干涉儀結(jié)構(gòu)與傳感器中的*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)干涉儀輸入調(diào)制光信號(hào)。為簡單起見，這里只考慮其中光強(qiáng)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。
根據(jù)仿真結(jié)果，CCD在長度為12.5mm的位置上的光強(qiáng)值恰好為大，與傳感器中光纖處于光楔的中心位置時(shí)(x=12.5mm)正好對應(yīng)。
在光纖位移傳感器位移為S時(shí)，光干涉強(qiáng)度大的光波在讀數(shù)器的Fizeau干涉儀上也是干涉大，所以分析CCD上光強(qiáng)大點(diǎn)的所在坐標(biāo)位置x=Smax，就可以得到傳感器的位置S=Smax。
