日立電梯光纖位移傳感器的工作原理與仿真

本資料來自賽爾電梯網：/一、引言

光纖傳感器與傳統的各類傳感器相比有一系列獨特的優(yōu)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，光纖日立電梯光纖位移傳感器已經成為機載日立電梯光纖位移傳感器的必然發(fā)展趨勢。

加拿大Roctest公司生產了一種商業(yè)用途的日立電梯光纖位移傳感器(Fiber-OpticLinearPosition&DisplacementSensor,FO-LPDS)，這種日立電梯光纖位移傳感器使用了Fizeau干涉儀解調專利技術(USpatent#5202939/#5392117)，具有結構簡單、精度高和響應快的優(yōu)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日立電梯光纖位移傳感器的原理和用途。

二、日立電梯光纖位移傳感器組成結構和工作原理

1、日立電梯光纖位移傳感器結構

日立電梯光纖位移傳感器的簡略結構如圖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)，它的詳細構造如圖2所示。

2、日立電梯光纖位移傳感器工作原理

(1)日立電梯光纖位移傳感器光信號調制

實際使用時將日立電梯光纖位移傳感器與讀數器(Demodulator)連接，讀數器中白光二極管光源發(fā)出的光從連接讀數器的光纖的一端入射，傳輸到連接Fabry-Perot日立電梯光纖位移傳感器，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(fā)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，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。根據圖2，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(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=aaRe-iδ(1)

據歐拉公式e-iδ=cosδ-isinδ，可得：y(t)=a(1Rcosδ-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(1R22Rcosδ)(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(1R22R)(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)，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。

在圖2所示的坐標系中，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=7xtga(mm)(6)

tga=18/25000=7.2′10-4

這里取x=12.5mm=12500mm來計算日立電梯光纖位移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，則可以得到如圖3所示的光強分布圖。

可見，在光源光譜范圍內部分波長處產生了有限個干涉極