法布里-珀罗光纤位移传感器的设计.docVIP

  法布里-珀罗光纤位移传感器的设计 吴迪，钟志** （哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨 150001） 5 10 15 20 摘要：基于 F-P 腔的法布里-珀罗(F-P)光纤位移传感器具有很高的灵敏度，适应于小量程高 精度位移的测量。本文对 F-P 光纤位移传感系统进行了研究设计，重点阐述了锁相放大电路 在对微弱光信号解调中的设计原理与实现方法，实验结果表明设计的解调电路能够有效提高 信噪比。整个传感系统的灵敏度可达 38mV/nm，其线性范围为 135nm。 关键词：法布里-珀罗腔；光纤位移传感器；锁相放大；灵敏度 中图分类号：TN29 The design of Fabry-Perot Optical Fiber Distance Sensor Wu Di, Zhong Zhi (College of information and communication engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001) Abstract: The Fabry-Perot (F-P) optical fiber displacement sensor based on F-P cavity has a very high sensitivity, and it is suitable for measuring small range and high precision displacement. This paper studies the design of F-P optical fiber displacement sensor system, the phase-locked amplifying circuit in the design principle and realization method of the weak optical signal demodulation were the main point. The experimental results show that the demodulation circuit design can improve the SNR effectively. The sensitivity of the sensor system was able to be 47.6mV/nm, the linear range is 126nm. Key words: Fabry-Perot cavity; Optical fiber displacement sensor; Lock-in amplifier technology; sensitivity 25 0 引言 随着物联网时代的到来，传感器的应用范围越来越广泛，而光纤传感器凭借其独有的优 点得到了十分快速的发展。光纤传感器具有较高的灵敏度和分辨力，其结构简单、性能稳定 体积小、可弯曲、耐高温，能够适应多种环境。并广泛应用于对位移、加速度、压力、声音、 30 35 振动、温度、等各种物理量的测量[1-3]。 在众多光纤传感器当中，基于 F-P 腔的法布里-珀罗(F-P)光纤位移传感器是一个重要分 支。F-P 光纤位移传感器是目前国内外研究最多的光纤传感器之一[4-5]，它适应于极微小位移 的高精度测量。本文对 F-P 光纤位移传感器的工作原理、传感器的系统设计与实现方法进行 了深入研究。 1 F-P 光纤位移传感器的原理 F-P 光纤位移传感器只采用一根单模光纤，它的传感探头为 F-P 腔结构，它是光纤位移 传感器中研究较早技术也比较成熟的一种传感器。此类传感器基于多光束干涉原理来对外界 参量变化进行测量，传感器的敏感元件结构简单，即在光路中添加两个距离非常近的平行反 射端面，两端面构成 F-P 腔，腔长为 d，其结构示意图如图 1 所示。 作者简介：吴迪(1989-)，男，硕士，光学工程 通信联系人：钟志(1976-)，男，副教授，光电检测，光电信号信息处理，通信信号信息处理. zhongzhi@hrbeu.edu.cn -1- 40   图 1  F-P 腔结构图  Fig. 1 The structure diagram of F-P cavity 当一束固定波长的单色光射入 F-P 腔时，设入射角 θ 近似为 0，入射光强度 I0=1，光束 在 F-P 腔内多次反射，产生多光束干涉。其相位差为：  45 ??? 2? ? ?  ? 4? ? nd cos?  (1) 在式(1)中，δ 为相邻两束光的光程差，θ 为光纤端面光线出射方向与光纤轴线的夹角， λ 为入射光的波长，d 为 F