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(shí)，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(dòng)等）對(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(dòng)測微頭，使反射板與光纖探頭端面緊密接觸，此時(shí)光纖變換器輸出電壓為 零。然后旋動(dòng)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(dòng)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(hào)。 (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(dòng)臺(tái)面脫離，測微頭遠(yuǎn)離振動(dòng)臺(tái)。將光纖探頭與振動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)上的反射紙與光纖探頭端面之 間的相對(duì)距離即線性區(qū)AX的中點(diǎn))。 (4) 將低頻振蕩信號(hào)接入振動(dòng)臺(tái)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(tái)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(shí)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(shí)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(dòng)臺(tái)的左邊。 (2) 按圖5接線，將差動(dòng)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(duì)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(dòng)電機(jī)，讓反光面避開光纖探頭。調(diào)節(jié)差動(dòng)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(hào)

8、。(Vp- p=4V) 6. 根據(jù)脈沖信號(hào)的頻率及電機(jī)上反光片的數(shù)□換算出此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。 實(shí)監(jiān)?完屮關(guān)HTE 副iL孤拆險(xiǎn)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(dòng)時(shí)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(dòng)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(jì)一個(gè)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(gè)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(shí)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(píng)估服務(wù) 高分段能力，高性能貼片保險(xiǎn)絲專為OEM設(shè)計(jì)師 和丄程師而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品Samtec連接器 完整的信號(hào)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(shí)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(duì)傳感器和讀數(shù)器的光信號(hào)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(hào)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(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2所示。 2、工作原理 1)光信號(hào)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(dòng)時(shí)，照點(diǎn)的 位置也會(huì)不同

12、。光楔上下兩個(gè)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(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(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-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(duì)于TFFI的某個(gè)位置，光楔面的高度為h,不同波長1的光對(duì)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(huì)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(shí)對(duì)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(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(gè)干涉極大值。顯然，在傳感 器所在的不同位置，TFFI對(duì)光源的調(diào)制悄況是不同的，即干涉極大值對(duì)應(yīng)的波長 值會(huì)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(hào)解調(diào) 讀數(shù)器(信號(hào)調(diào)理器)的作用是對(duì)傳感器送回的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從中解算出位 移信號(hào)，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?，?huì) 投射在TFFI干涉儀的傾斜面上，而TFFI的下

16、表面緊貼了一個(gè)對(duì)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(huì)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(duì)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(hào)。為簡單起見，這里只考慮其中光強(qiáng) 極大值對(duì)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(gè)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(shí)(x=12. 5mm)正好對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)間和恒溫控制，降低了對(duì)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(duì)環(huán) 境的震動(dòng)和光纖的參數(shù)變化不墩感。光楔

19、(TFFI) 一般選用對(duì)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(duì)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)訃可以保證只有一個(gè)最大點(diǎn)，信號(hào)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(duì)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(duì)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。LI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。