光信号解调 - 光纤位移传感器仿真

读数器（信号调理器）的作用是对传感器送回的光信号进行解调，从中解算出位移信号，以上过程可以用图4表示。
读数器中附带了白光光源，从多模光纤返回的光经过柱状透镜变为平行光，会投射在TFFI干涉仪的倾斜面上，而TFFI的下表面紧贴了一个对光强敏感的 CCD传感器。如图5所示，假设单色光均匀照射在光楔的上表面，则在x方向的每一点，光楔上下表面的反射光会形成干涉，而下表面透射的光被CCD所检测。

这里假设解调用的TFFI干涉仪结构与传感器中的完全相同，即取自同一批次的产品，这样可以消除由于光楔形位公差对测量结果的影响。 
给解调干涉仪输入图3所示的调制光信号。为简单起见，这里只考虑其中光强极大值对应的波长。这些波长形成的干涉结果在CCD的长度方向上进行矢量叠加，由 于是白光干涉，所以叠加的次数越多，CCD上得到的干涉条纹越细锐。Matlab下的仿真结果如图所示。

根据仿真结果，CCD在长度为12.5mm的位置上的光强值恰好为最大，与传感器中光纤处于光楔的中心位置时（x=12.5mm）正好对应。

在传感器位移为S时，光干涉强度最大的光波在读数器的Fizeau干涉仪上也是干涉最大，所以分析CCD上光强最大点的所在坐标位置x＝Smax，就可以得到传感器的绝对位置S＝Smax。

二、 性能特点

根据前面的分析和有关资料，白光位移传感器可以测量绝对位置，它具有如下特点：

（1）使用白光二极管光源而不是激光光源，因此不需要激光二极管所必须的预热时间和恒温控制，降低了对光源稳定性的要求，而且白光LED的寿命也比激光二极管LD长得多；

（2）传感器和读数器内部使用了结构相同的楔形薄膜干涉仪TFFI，这样可以补偿TFFI制造误差带来的测量误差，通常在不加任何补偿的情况下得到的最大线性误差为满量程的0.15%；

（3）TFFI的制造工艺复杂，目前只能提供量程为20mm的位移传感器，更大尺寸的TFFI制造困难，限制了这种传感器量程的提高；

（4）这种传感器本质上是利用光楔上下表面的光程差进行工作的，所以它对环境的震动和光纤的参数变化不敏感。光楔（TFFI）一般选用对温度不敏感的材料制造，传感器中无透镜，光纤的安装不需要严格对准，因此它可以在恶劣的环境下工作；

（5）读数器内可以使用CCD或PSD光探测器，CCD接收到的光强分布可以有多个极值点，但通过合理的结构设计可以保证只有一个最大点，信号处理使用求极大值的算法。

这种传感器的主要性能指标如表所示：

三、 结论和展望

采用白光干涉原理的光纤位置传感器可以测量绝对线位置和角位移，而且具有结构简单、精度高，工作温度范围宽和对振动不敏感的特点，所以有希望在光传系统中得到应用。