一 前言

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)

傳感器的簡略結(jié)構(gòu)如圖所示,，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)造如圖所示,。

2、工作原理

（1）光信號" title="光信號">光信號調(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" title="白光二極管">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）

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(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,，則可以得到如圖所示的光強(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）光信號解調(diào)

讀數(shù)器（信號調(diào)理器）的作用是對傳感器送回的光信號進(jìn)行解調(diào),，從中解算出位移信號,，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。

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測量結(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,。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" title="白光干涉">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)果如圖所示,。

根據(jù)仿真結(jié)果，CCD在長度為12.5mm的位置上的光強(qiáng)值恰好為最大,，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),。

在傳感器位移為S時(shí)，光干涉強(qiáng)度最大的光波在讀數(shù)器的Fizeau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位置S＝Smax。

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" title="位移傳感器">位移傳感器可以測量絕對位置，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量絕對線位置和角位移,，而且具有結(jié)構(gòu)簡單,、精度高，工作溫度范圍寬和對振動(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,。