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基于光纖位移傳感器的工作原理與仿真

作者: 時間:2012-10-22 來源:網絡 收藏

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 果。因此,鍍膜的厚度應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°,強度被衰減。

在圖2所示的坐標系中,設入射點距坐標原點的距離為x,光楔的傾斜角度為a,此時對應的光楔面高度為h:

h=7+xtga (mm) (6)

tga=18/25000=7.2′10-4

這里取x=12.5mm=12500mm來計算調制光的強度分布,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3所示的光強分布圖。

可見,在光源光譜范圍內部分波長處產生了有限個干涉極大值。顯然,在所在的不同位置,TFFI對光源的調制情況是不同的,即干涉極大值對應的波長值會發生變化。在波長l較小處,干涉極大值的波峰也較密。

(2)光信號解調

讀數器(信號調理器)的作用是對送回的光信號進行解調,從中解算出信號,以上過程可以用圖4表示。

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

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

給解調干涉儀輸入圖3所示的調制光信號。為簡單起見,這里只考慮其中光強極大值對應的波長。這些波長形成的干涉結果在CCD的長度方向上進行矢量疊加,由 于是白光干涉,所以疊加的次數越多,CCD上得到的干涉條紋越細銳。Matlab下的結果如圖6所示。

根據結果,CCD在長度為12.5mm的位置上的光強值恰好為最大,與傳感器中處于光楔的中心位置時(x=12.5mm)正好對應。

在傳感器為S時,光干涉強度最大的光波在讀數器的Fizeau干涉儀上也是干涉最大,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。

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