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(wǎng)：/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(jié)構(gòu)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(jīng)成為機(jī)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(chǎn)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(diào)專利技術(shù)(USpatent#5202939/#5392117)，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高和響應(yīng)快的優(yōu)點，目前已經(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(jié)構(gòu)和工作原理

1、日立電梯光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)

日立電梯光纖位移傳感器的簡略結(jié)構(gòu)如圖1所示，其連桿可以水平方向移動，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、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(diào)制

實際使用時將日立電梯光纖位移傳感器與讀數(shù)器(Demodulator)連接，讀數(shù)器中白光二極管光源發(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(dāng)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(gòu)成了Fabry-Perot腔體。當(dāng)讀數(shù)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(diào)制。

假設(shè)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(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(jù)歐拉公式e-iδ=cosδ-isinδ，可得：y(t)=a(1Rcosδ-iRsinδ)(2)

光強(qiáng)與光波振幅的平方成正比，設(shè)光波相遇點的光強(qiáng)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(yīng)的干涉相位差δ為：

δ=(2nh/l)×2p=4pnh/l(4)

光強(qiáng)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(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)入射點距坐標(biāo)原點的距離為x，光楔的傾斜角度為a，此時對應(yīng)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(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(qiáng)分布圖。

可見，在光源光譜范圍內(nèi)部分波長處產(chǎn)生了有限個干涉極