光纖位移傳感器仿真2

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(guò)程可以用圖4表示。
讀數(shù)器中附帶了白光光源，從多模光纖返回的光經(jīng)過(guò)柱狀透鏡變?yōu)槠叫泄?，?huì)投射在TFFI干涉儀的傾斜面上，而TFFI的下表面緊貼了一個(gè)對(duì)光強(qiáng)敏感的 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(cè)。

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(cè)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(jiǎn)單起見(jiàn)，這里只考慮其中光強(qiáng)極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。這些波長(zhǎng)形成的干涉結(jié)果在CCD的長(zhǎng)度方向上進(jìn)行矢量疊加，由 于是白光干涉，所以疊加的次數(shù)越多，CCD上得到的干涉條紋越細(xì)銳。Matlab下的仿真結(jié)果如圖所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，CCD在長(zhǎng)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＝Smax。

二、 性能特點(diǎn)

根據(jù)前面的分析和有關(guān)資料，白光位移傳感器可以測(cè)量絕對(duì)位置，它具有如下特點(diǎn)：

（1）使用白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(zhǎng)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(lái)的測(cè)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(mǎn)量程的0.15%；

（3）TFFI的制造工藝復(fù)雜，目前只能提供量程為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)變化不敏感。光楔（TFFI）一般選用對(duì)溫度不敏感的材料制造，傳感器中無(wú)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(cè)器，CCD接收到的光強(qiáng)分布可以有多個(gè)極值點(diǎn)，但通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)如表所示：