摘要：本文分析了一種商用白光干涉光纖位移傳感器的結構和工作原理，并且在Matlab環(huán)境下對傳感器和讀數器的光信號處理過程進行了仿真，得到了傳感器位移與讀 數器中Fizeau干涉儀光強分布之間的關系，并討論了傳感器信號解調的基本算法。最后展望了這種傳感器在航空工業(yè)中的應用前景。
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(fā)展趨勢。
加 拿大Roctest公司生產了一種商業(yè)用途的光纖位移傳感器（Fiber-Optic Linear Position & Displacement Sensor, FO－LPDS），這種傳感器使用了Fizeau干涉儀解調專利技術（US patent #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傳感器的原理 和用途。
二、 組成結構和工作原理
1、傳感器結構
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、工作原理
（1）光信號調制
實際使用時將傳感器與讀數器（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=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(tǒng)(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），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＝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，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(fā)生變化。在波長l較小處，干涉極大值的波峰也較密。
