基于光纤位移传感器的工作原理与仿真

一、引言

光纤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。

加 拿大Roctest公司生产了一种商业用途的光纤位移传感器(Fiber-Optic Linear Position Displacement Sensor, FO-LPDS)，这种传感器使用了Fizeau干涉仪解调专利技术(US patent #5202939/#5392117)，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。

二、 组成结构和工作原理

1、传感器结构

传感器的简略结构如图1所示，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)，它的详细构造如图2所示。

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第一个半反射镜反射后，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范围根据文献[1]取为600nm～1750nm。根据图2，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)