光纖傳感器工作原理
作者:admin   發(fā)布時間:2015/10/28 11:59:30   瀏覽次數(shù):1810
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,使用了Fizeau干涉儀解調(diào)專利技術(shù),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。
工作原理
光信號調(diào)制
實(shí)際使用時將傳感器與讀數(shù)器連接,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水平移動時,照點(diǎn)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(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壓力傳感器,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范圍根據(jù)文獻(xiàn)[1]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(tǒng)(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(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),液位傳感器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。
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,可見,在光源光譜范圍內(nèi)部分波長處產(chǎn)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(diào)制情況是不同的,即干涉極大值對應(yīng)的波長值會發(fā)生變化。在波長l較小處,壓力開關(guān)干涉極大值的波峰也較密。
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