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光纖傳感器工作原理

作者:admin 發布時間:2015/10/28 11:59:30 瀏覽次數:1800

光纖傳感器與傳統的各類傳感器相比有一系列獨特的優點，如靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、防爆、光路有可撓曲性、結構簡單、體積小和重量輕等。所以，光纖傳感器已經成為機載光學傳感器的必然發展趨勢。光纖位移傳感器，使用了Fizeau干涉儀解調專利技術，具有結構簡單、精度高和響應快的優點，目前已經在土木工程領域得到了成功的應用。本文將詳細介紹該種傳感器的原理和用途。
工作原理
光信號調制
實際使用時將傳感器與讀數器連接，讀數器中白光二極管光源發出的光從連接讀數器的光纖的一端入射，傳輸到連接傳感器，再由多模光纖射出，照射在TFFI干涉儀（光楔）的表面。當TFFI水平移動時，照點的位置也會不同。光楔上下兩個表面都鍍有半反射膜，因而構成了Fabry-Perot腔體。當讀數器發射的白光的一部分被第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壓力傳感器，兩束反射光相互干涉，使得原來入射白光的光譜被調制。
假設光楔的材料是玻璃，取其折射率n=1.6，入射白光二極管波長范圍根據文獻[1]取為600nm～1750nm。光楔上下表面反射光的光程差為2nh，假設光源光譜所有頻率光波的振幅皆為a，兩束光在相遇點發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-iδ
（1）據歐拉公式e-iδ＝cosδ－isinδ，可得：y(t)=a(1+Rcosδ－iRsinδ)（2）光強與光波振幅的平方成正比，設光波相遇點的光強度為I，則：I＝y(t)×y(t)*＝a2(1+R2+2Rcosδ)
（3）對于TFFI的某個位置，光楔面的高度為h，不同波長l的光對應的干涉相位差δ為：
δ＝（2nh/l）×2p＝4pnh/l
（4）光強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），液位傳感器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。
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來計算傳感器調制光的強度分布，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，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，在傳感器所在的不同位置，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，壓力開關干涉極大值的波峰也較密。

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本文來源：東莞市中昊自動化科技有限公司

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