日立电梯光纤位移传感器的工作原理与仿真

日立电梯光纤位移传感器的工作原理与仿真

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一、引言

光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可挠曲性、结构简单、体积小和重量轻等。所以，光纤日立电梯光纤位移传感器已经成为机载日立电梯光纤位移传感器的必然发展趋势。

加拿大Roctest公司生产了一种商业用途的日立电梯光纤位移传感器

(Fiber-Optic Linear Position & Displacement Sensor, FO-LPDS)，这种日立电梯光纤位移传感器使用了Fizeau干涉仪解调专利技术(US patent

#5202939/#5392117)，具有结构简单、精度高和响应快的优点，目前已经在土木工程领域得到了成功的应用。本文将详细介绍该种日立电梯光纤位移传感器的原理和用途。

二、日立电梯光纤位移传感器组成结构和工作原理

1、日立电梯光纤位移传感器结构

日立电梯光纤位移传感器的简略结构如图1所示，其连杆可以水平方向移动，在连杆上固定了薄膜Fizeau干涉仪(TFFI)，它的详细构造如图2所示。

2、日立电梯光纤位移传感器工作原理

(1)日立电梯光纤位移传感器光信号调制

实际使用时将日立电梯光纤位移传感器与读数器(Demodulator)连接，读数器中白光二极管光源发出的光从连接读数器的光纤的一端入射，传输到连接Fabry- Perot日立电梯光纤位移传感器，再由多模光纤射出，照射在TFFI干涉仪(光楔)的表面。当TFFI水平移动时，照点的位置也会不同。光楔上下两个表面都镀有半反射 膜，因而构成了Fabry-Perot腔体。当读数器发射的白光的一部分被第一个半反射镜反射后，其余的白光穿过Fabry-Perot腔体，且再一次被 第二个半反射镜反射回来，两束反射光相互干涉，使得原来入射白光的光谱被调制。

假设光楔的材料是玻璃，取其折射率n=1.6，入射白光二极管波长范围根据文献

[1]取为600nm～1750nm。根据图2，光楔上下表面反射光的光程差为2nh，假设光源光谱所有频率光波的振幅皆为a，两束光在相遇点发生干涉时的相位差为d，光楔面的反射率为R，透射率为1-R，则合成振幅y为：y=a aRe-iδ (1)

据欧拉公式e-iδ=cosδ-isinδ，可得：y(t)=a(1 Rcosδ-iRsinδ) (2)

光强与光波振幅的平方成正比，设光波相遇点的光强度为I，则：

日立电梯光纤位移传感器的工作原理与仿真

I=y(t)×y(t)*=a2(1 R2 2Rcosδ) (3)

对于TFFI的某个位置，光楔面的高度为h，不同波长l的光对应的干涉相位差δ为：

δ=(2nh/l)×2p=4pnh/l (4)

光强I的极值为：

I=a2(1 R2 2R) (5)

在 TFFI干涉仪中，为了形成光的反射面，需要在光楔的上下表面各镀上一层膜，而镀膜具有一定的厚度，所以镀膜上下表面的反射光将形成干涉，会影响测量结果。因此，镀膜的厚度应控制在光源中心波长的1/4，例如光源波长为

600nm~1000nm，则镀膜厚度为800nm(假设镀膜材料的折射率为1)，这 样镀膜上下表面大部分的反射光相位差为180°，强度被衰减。

在图2所示的坐标系中，设入射点距坐标原点的距离为x，光楔的倾斜角度为a，此时对应的光楔面高度为h：

h=7 xtga (mm) (6)

tga=18/25000=7.2′10-4

这里取x=12.5mm=12500mm来计算日立电梯光纤位移传感器调制光的强度分布，将x的值代入(6)式可得h=16mm，代入(4)式得到d，再把d代入(3)式即可得到光强I。取光源波长范围0.6mm～1.75mm，光楔镀膜反射率R=0.5，则可以得到如图3所示的光强分布图。

可见，在光源光谱范围内部分波长处产生了有限个干涉极大值。显然，在日立电梯光纤位移传感器所在的不同位置，TFFI对光源的调制情况是不同的，即干涉极大值对应的波长值会发生变化。在波长l较小处，干涉极大值的波峰也较密。