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1、一种新型光纤位移传感器的设计TheDesignofaNewTypeOpticalFiberDisplacementShensor●卢启柱陆松泉唐勇郑绳楦LuQizhuLuSongquanTangYongZhengShengxuan1 前言号光束相干涉,再经光电变换及处理后就可得位移测量是多种物理量(如:振动、压力、到有关被测表面的变化情况。选择与光纤端面2应变、加速度、流量等)测量的基础。通常有机反射率(R=r≈4%)近似相等的反射薄膜粘贴械式测量、电磁测量及激光测量等方法。机械式在被测表面上,来获得高可见度的干涉条纹。测量的精度低,速度慢,不适于在线
2、测量;电磁式测量易受电磁干扰;光学测量,包括激光测量的精度高,但该方法受到光的直线传播这一条件的约束,因此也不适合于工厂现场应用。本文应用法布里─珀罗干涉仪把激光与光纤以及计算机等高科技结合在一起,研制了一种新型光纤传感图1 传感头示意图器,实现了在线测量,使小位移的分辨率高达211210光纤F-P干涉仪的原理如图2所示。图10m以上,精度达±1×10m以上。中,入射光的场强振幅为a,光纤芯的折射率为n1,光学谐振腔的折射率为n2,谐振腔的两反射2设计原理与分析面的振幅反射比都为r,光从n1到n2的振幅透在实践中,通过对多种干涉式光纤传感器的比较,我们
3、采用了法布里─珀罗(简称F─P)射比为t1,而从n2到n1的振幅透射比为t2。可见,反射光1、2、3、4⋯⋯幅度分别为ar、干涉仪。因为在这种干涉仪中,信号光束和参考35光束通过同一光纤,所以温度、微弯等外围变化at1t2r、at1t2r、at1t2r⋯⋯它们的幅度不等,不会产生光程差的变化,因此它具有灵敏度高、且彼此互相平行,相邻两光束的相位差恒定(当谐振腔的距离L变化时,相位差才发生变体积小、稳定可靠等优点。图1为法布里—珀罗光纤干涉仪的传感头化)。示意图。它有一个由传感光纤的端面与被测表面所组成的光学谐振腔。该谐振腔的介质为空气,折射率近似为1。
4、当入射光由光纤芯传输到光纤端面时,一部分光被光纤端面反射回来,形成参考光束,另一部分透过空气到达被测表面,经被测表面的反射,其中的部分光又被反射回到光纤芯中形成信号光束。参考光束和信图2 干涉原理示意图卢启柱,现在燕山大学计算机系工作。地址:秦皇岛市邮政编码:066004收稿日期:1997年6月6日(磁盘来稿)·4· AutomationandInstrumentationVol.12No.51997传感器技术24 对于多束干涉,经推导(详细过程略)传递将n(t)=240db,即n(t)=10,激光器的波函数为:长λ=6328,代入上式(6)得:22
5、4I=2RI0[(12cosΦ)/(1+R22RcosΦ)](1)Lamin=(6328/8π)×10=0.025式中,I0为入射光的光强,Φ为两相邻反射光的相位差,R为光纤端面的反射率。3 实验装置为了实现高精度,高分辨率的位移测量,利实验装置如图3所示,由He2Ne激光器产生用式(1)对信号进行处理。若位移是正弦规律的单频光经10×透镜汇聚后,入射到单膜光纤的,则式(1)中的相位移Φ为:中,再经光纤耦合器,一路耦合到折射率匹配液Φ=(4π/λ)Lasinωat+Φ0(2)中,以减少该路的反射光,另一路传输到传感式中,λ为波长,La为位移的幅度值,ω
6、a为位移头,部分光从传感头与空气界面上反射回来,形的角频率,Φ0为初相位。成参考光束,其余光到达被测表面再返回到传感当La=λ/8时,干涉信号变化一个周期,即头中,形成信号光束。即传感头与被测表面形成2π弧度,而干涉信号峰峰值之间的位移量为了F─P干涉仪的光学谐振腔,谐振腔的静态长λ/4。度可通过五维机架调节,使干涉仪工作在正交状系统的灵敏度主要是由系统的噪声电平决定态,即实现Φ0=π/2。被测面与压电晶体相连,的。由于光路中有光反馈措施,相位噪声可忽略调节信号发生器的输出电压幅度,即可改变谐振不计。腔的动态距离,参考光束与信号光束干涉后,再分析F—P
7、干涉仪的灵敏度时,为简化计通过光耦合器返回到光电二极管中,经光电变换、算,可用双光束干涉理论近似,传递函数为:放大滤波、A/D变换以及微机处理后,可在荧光屏I=I0(1+VcosΦ)(3)上观察到位移的变化规律及位移量的大小。式中,V为可见度。考虑到幅度噪声后,式(3)变为:I=I0[1+n(t)](1+VcosΦ)(4)式中,n(t)是由激光器、光电二极管和信号处理电路所产生的幅度噪声。把式(1)代入式(4),令β=(4π/λ)La,并化简整理得:图3 实验装置I=I0(1+VcosΦ0)+I0n(t)(1+VcosΦ0)2I0VβsinΦ0sinω
8、at5 实验结果=Id+In+Is(5)式中,Id为输出的直流分量,Ia为输出的噪声分把一小片
