光纖位移傳感器

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1、光纖位移傳感器 光纖位移傳感器【教學(xué)LI的】 1. 了解光纖傳輸?shù)幕驹? 2. 了解反射式光纖傳感器的一般原理 3. 學(xué)習(xí)用光纖傳感器進(jìn)行相關(guān)物理量的測量 【教學(xué)重點(diǎn)】 1. 反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理。 反射式光纖傳感器的輸出特性曲線。2. 【教學(xué)難點(diǎn)】 反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 【課程講授】 1. 光導(dǎo)纖維是利用什么原理傳輸光波的， 2. 光纖傳感器有功能型和傳輸型兩大類，反射式光纖位移傳感器是哪種類型 光纖傳感器， 【課堂提問】 一、實(shí)驗(yàn)原理 ,）光導(dǎo)纖維與光纖傳感器的一般原理 光導(dǎo)纖維是利用光的完全內(nèi)反射原理傳輸光波的一種介質(zhì)

2、。如圖,所示，它是 由高折射率的纖芯和包層所組成。包層的折射率小于纖芯的折射率，直徑大致 丿7 9?,,,,,?,, ,。當(dāng)光線通過端面透入纖芯，在到達(dá)與包層的交界面時，山于光線的完全內(nèi) 反射，光線反射回纖芯層。這樣經(jīng)過不斷的反射，光線就能沿著纖芯向前傳播。 由于外界因素（如溫度、壓力、電場、磁場、振動等）對光纖的作用，引起光波 特性參量（如振幅、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化。因此人們只要測出這些參量隨外界 因素的變化關(guān)系，就可以通過光特性參量的變化來檢測外界因素的變化，這就是光 纖傳感器的基本工作原理。 ,）反射式位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理 反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如

3、圖，所示:光纖采用, 型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源 光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反 射到接收光纖，最后山光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、 反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖 探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收 到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，到達(dá) 最大值點(diǎn)后乂隨兩者的距離增加而減小。圖，所示就是反射式光纖位移傳感器的輸 出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對光強(qiáng)的檢測得到位移量。

4、反射式光纖位 移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測量線性化（在小位移 范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測。 圖，反射式位移傳感器原理 2,0 .5Q.25 nV H ? T ■ _ ■ 0 12 3 4 5 6 位移(mm) 圖，反射式光纖位移傳感器的輸出特性 二、 實(shí)驗(yàn)儀器 光纖、光電變換器、低頻振蕩器、電壓表、支架、反射板、測微頭、測速電 機(jī)、電壓，頻率表、雙蹤示波器。 三、 實(shí)驗(yàn)步驟 ，?連接、調(diào)節(jié)裝置。在儀器支架上安裝光纖探頭，探頭對準(zhǔn)鍍輅反射板，調(diào)節(jié) 光纖探頭端面與反射板平行，距離適中;將光纖傳感器光電轉(zhuǎn)換裝置與光電變換器

5、 相連接，接通電源預(yù)熱數(shù)分鐘。 ，?作反射式光纖傳感器輸出特性曲線。 轉(zhuǎn)動測微頭，使反射板與光纖探頭端面緊密接觸，此時光纖變換器輸出電壓為 零。然后旋動測微器，使反射板離開探頭，每隔讀出一次輸出電壓，值，填 入數(shù)據(jù)表，作,，，曲線，求得線性范圍的靈敬度A ,,A,。 ，.測量微小振動的振幅與頻率 (1) 了解激振線圈在實(shí)驗(yàn)儀上所在位置及激振線圈的符號。 (2) 接入低通濾波器和示波器，如圖4接線。 (3) 將測微頭與振動臺面脫離，測微頭遠(yuǎn)離振動臺。將光纖探頭與振動臺反射 紙的距離調(diào)整在光纖傳感器工作點(diǎn)即線性段中點(diǎn)上(利用靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)中得到的特 性曲線，選擇線性中點(diǎn)的距離為工作點(diǎn)

6、，LI測振動臺上的反射紙與光纖探頭端面之 間的相對距離即線性區(qū)AX的中點(diǎn))。 (4) 將低頻振蕩信號接入振動臺的激振線圈上，開啟主、副電源，調(diào)節(jié)低頻振 蕩器的 頻啥b厲度誕仙，便振齦臺振汕出丟胡恪度適中： (5) 保持低頻振蕩器輸出的Vp-p幅值不變，改變低頻振蕩器的頻率(用示波器 觀察低頻振蕩器輸出的Vp-p值為一定值，在改變頻率的同時如幅值發(fā)生變化則調(diào) 整幅度旋鈕使Vp-p相同)，將頻率和示波器上所測的峰峰值(此時的峰峰值Vp-p是 指經(jīng)低通后的Vp-p) 填入下表，并作出幅頻特性圖： 幅度(Vp-p)頻率(Hz) (6) 關(guān)閉主、副電源，把所有旋鈕復(fù)原到原始最小位置。 ，.

7、測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (1) 了解電機(jī)控制，小電機(jī)(小電機(jī)端面上貼有兩張反射紙)在實(shí)驗(yàn)儀上所在的 位置，小電機(jī)在振動臺的左邊。 (2) 按圖5接線，將差動放大器的增益置最大，F(xiàn)/V表的切換開關(guān)置2V,開啟 主、副電源。 圖5 3. 將光纖探頭移至電機(jī)上方對準(zhǔn)電機(jī)上的反光紙，調(diào)節(jié)光纖傳感器的高度， 使F/V表顯示最大。再用手稍微轉(zhuǎn)動電機(jī)，讓反光面避開光纖探頭。調(diào)節(jié)差動放大 器的調(diào)零，使F/V 表顯示接近零。 4. 將直流穩(wěn)壓電源置?10V檔，在電機(jī)控制單元的V+處接入+10V電壓，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 速旋鈕使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 ■ 5. F/V表置2K檔顯示頻率，用示波器觀察F。輸出端的轉(zhuǎn)速脈沖信號

8、。(Vp- p=4V) 6. 根據(jù)脈沖信號的頻率及電機(jī)上反光片的數(shù)□換算出此時的電機(jī)轉(zhuǎn)速。 實(shí)監(jiān)?完屮關(guān)HTE 副iL孤拆險畫鏡“匕所夸適鈕復(fù)I花 7. 【注意事項(xiàng)】 1. 電機(jī)葉片轉(zhuǎn)動時V0輸出電壓峰值之差是比較小的，而且要特別注意背景光 的影響。 2. 光纖探頭在電機(jī)葉片上方安裝后須用手轉(zhuǎn)動葉片確認(rèn)無碰擦后方可開啟電 機(jī)，否則極易擦傷光纖端面。 思考題 1?如何利用光纖傳感器位移測試的原理，設(shè)計一個光纖傳感器壓力測試單元， 提示:壓力致使物體產(chǎn)生形變 2. 能否根據(jù)光纖傳感器位移測試的原理做一個光纖測溫實(shí)驗(yàn)裝置， 提示:將器件在溫度場中感受到的溫度變化量轉(zhuǎn)化為光纖探頭反

9、射面間距變化 基于光纖位移傳感器的工作原理與仿真文章出處：發(fā)布時間：2010/07/07 | 2543次閱讀：1次推薦 0條留言 業(yè)界領(lǐng)先的TEMPO評估服務(wù) 高分段能力，高性能貼片保險絲專為OEM設(shè)計師 和丄程師而設(shè)計的產(chǎn)品Samtec連接器 完整的信號來源 世界上選擇量為廣泛的 旦子元件庫能夠立即發(fā)貨 每天新產(chǎn)品時刻新體驗(yàn)完整的15A開關(guān)模式電源 摘要:本 文分析了一種商用白光干涉光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并且 在Mat lab環(huán)境下對傳感器和讀數(shù)器的光信號處理過程進(jìn)行了仿真，得到了傳感器 位移與讀數(shù)器中Fizeau干涉儀光強(qiáng)分布之間的關(guān)系，并討論了傳感器信號解調(diào)的

10、 基本算法。最后展望了這種傳感器在航空工業(yè)中的應(yīng)用前景。 一、 引言 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)，如靈墩度高、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。 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 F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

11、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)， LI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1所示，其連桿可以水平方向移動，在連桿上固定了薄 膜Fizeau干涉儀(TFFI),它的詳細(xì)構(gòu)造如圖2所示。 2、工作原理 1)光信號調(diào)制( 實(shí)際使用時將傳感器與讀數(shù)器(Demodulator)連接，讀數(shù)器中口光二極管光源 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 111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

12、。光楔上下兩個表面都鍍有半反射膜，因而構(gòu)成了 Fdbry-Perot腔 體。當(dāng)讀數(shù)器發(fā)射的白光的一部分被笫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，兩束反射光相互干 涉，使得原來入射口光的光譜被調(diào)制。 假設(shè)光楔的材料是玻璃，取其折射率n二1.6,入射口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&，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-i 6 (1) 據(jù)歐拉公式 e

13、~i 8 , cos S , isin 8 ,可得:y(t)=a(l+ Rcos S , iRsin S ) (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) Xy(t)*, a2(l+R2+2Rcos 5 ) (3) 對于TFFI的某個位置，光楔面的高度為h,不同波長1的光對應(yīng)的干涉相位差 8為： 6, (2nh/l)X2p,4pnh/l (4) 光強(qiáng)I的極值為： I,a2(l+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，而鍍膜具有一定的卑度，所以鍍膜上下表面的反射光將形成干涉，會影響測量

14、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 此時對應(yīng)的光楔面高度為h: h, 7, xtga (mm) (6) tga, 18/25000, 7. 2z 10-4 這里取x, 12. 5mm二12500mm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RI 0

15、. 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(qiáng)分布 圖。 E33TFFI千涉儀光強(qiáng)分布閔 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)制悄況是不同的，即干涉極大值對應(yīng)的波長 值會發(fā)生變化。在波長1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)器中附帶了口光光源，從多模光纖返回的光經(jīng)過柱狀透鏡變?yōu)槠叫泄?，?投射在TFFI干涉儀的傾斜面上，而TFFI的下

16、表面緊貼了一個對光強(qiáng)敬感的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形成干涉，而下表面透射的光被CCD所檢測。 ［川川IJ出出 '1 Sib X k 0 ： SOOOlii 謝5 TFFI干涉儀的詳細(xì)構(gòu)謹(jǐn) 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，所以疊加

17、的次數(shù)越多，CCD上得到的干涉條紋越細(xì)銳。Mat lab 下的仿真結(jié)果如圖6所示。 (a) 50亍嵯值波長的査加結(jié)杲 (b)10個嵯值波長的勧強(qiáng)吉臬 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(x=12. 5mm)正好對應(yīng)。 在傳感器位移為S時，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, Smaxo 三、性能特點(diǎn) 根據(jù)詢面的分析和有關(guān)資料，口光位移傳感器可以測量絕對位置，它具有如下 特點(diǎn)：

18、(1) 使用口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，LT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) 境的震動和光纖的參數(shù)變化不墩感。光楔

19、(TFFI) 一般選用對溫度不墩感的材料制 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 極值點(diǎn)，但通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)訃可以保證只有一個最大點(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1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不敏感的特點(diǎn)，所以有希望在光傳系 統(tǒng)中得到應(yīng)用。LI前ATK Aerospace公司的Thiokol Propulsion噴氣推進(jìn)分部在 火箭發(fā)動機(jī)上已經(jīng)驗(yàn)證了這種口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。