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文檔簡介
1、一、引言 光纖傳感由于具有本質(zhì)安全、電絕緣性好、靈敏度高及便于連網(wǎng)等優(yōu)點,已在許多物理量的測量中得到應(yīng)用,特別是基于光纖干涉的傳感系統(tǒng)已成為物理量檢測中最為精確的系統(tǒng)之一。光纖干涉儀是一種高精度測量儀器,但存在相位隨機(jī)漂移及倍頻等光學(xué)問題?,F(xiàn)有文獻(xiàn)報導(dǎo)中,解決的方法是采用相位生成載波技術(shù),調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)過程復(fù)雜,并有可能產(chǎn)生信號波形的失真。另外,雖有采用壓電陶瓷(PZT)的報導(dǎo),但未見對相位隨機(jī)漂移及倍頻問題的具體解決方法。為此,本文給出一種簡單實用的解決方案,在原理上說明其可行性,并進(jìn)行了實驗驗證。二、Michelson干涉型光纖傳感器原理圖1所示為Michelson相位調(diào)制型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)
2、示意圖。由激光器發(fā)出的相干光經(jīng)光隔離器和耦合器后一分為二分別送入2根長度基本相同的單模光纖(即干涉儀的兩臂,其一為信號臂,另一參考臂),而后被反射膜反射,在耦合器的輸出端發(fā)生干涉。顯然,這是一種雙光束干涉儀,干涉光的幅度與信號光及參考光的幅度有關(guān),其相位為兩臂光相位之差,干涉場光強(qiáng)分布為I=I1+I2+2I1I2cos()=A+Bcos()(1)=2nl/(2)式(1)右端是光電轉(zhuǎn)換的信號,I1、I2分別為干涉儀兩臂單獨存在時的光強(qiáng),在檢測時通常以直流項對待;2I1I2cos()表示干涉效應(yīng),當(dāng)=2m時,為干涉場的極大值,其中m為干涉級次。式(2)中,為干涉儀兩臂光波的相位差,它可以表示為因為
3、環(huán)境波動引起的隨機(jī)漂移信號S和待測信號N之和,由光波波長、光纖折射率n以及光纖兩臂長度差l共同決定。在波長一定的情況下,兩臂光程差改變nl,就改變了干涉信號的相位差,從而實現(xiàn)傳感功能。干涉光信號由光電轉(zhuǎn)換器(PD)轉(zhuǎn)換為電信號。通過檢測電信號的變化,就得到相應(yīng)的干涉光信號的相位變化。 三、相位漂移及倍頻原因簡析由式(1)可見,I隨呈余弦變化規(guī)律,I關(guān)系曲線如圖2所示。在=2n處為最大值(n=0,1,2,),而在=(2n+1處取值最小,而在=n+/2處變化最快,I變化最快即表示此時干涉儀具有最高靈敏度。所以,干涉儀應(yīng)在工作在兩臂光程差為/2的位置,這樣它的靈敏度最高;否則,當(dāng)相位差在或的整數(shù)倍時
4、,就幾乎檢測不到信號的變化。在實際探測過程中,即使事先調(diào)節(jié)兩臂光程差為/2,也會由于緩變的隨機(jī)相位漂移噪聲、偏振噪聲及所處環(huán)境的某些無規(guī)則運動帶來的噪聲使靜態(tài)時兩臂光程差不能保持為/2而出現(xiàn)相位漂移的現(xiàn)象,使輸出發(fā)生漂移,如圖3所示。另外,由式(1)可知,在檢測大信號時,若使兩臂相位差改變量超過/2就會出現(xiàn)倍頻的現(xiàn)象,如圖4所示??梢?,此時輸出信號不能反映實際信號。四、采用PZT解決相位隨機(jī)漂移及倍頻問題 (一)PZT的光纖相位調(diào)制原理PZT具有壓電效應(yīng)。當(dāng)電壓加在PZT筒上時,PZT筒的外徑周長會發(fā)生變化,從而使纏繞在PZT筒的光纖長度及折射率隨之發(fā)生變化,改變光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄏ辔?。光纖相位
5、變化量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中,kl為光纖應(yīng)變系數(shù)。由式(3)可知,相位調(diào)制的關(guān)鍵是分析光纖長度的變化量l/l的規(guī)律。 如圖5所示模型,PZT筒的高為h,電壓u(t)加于內(nèi)外半徑r1、r2間。由于使用的PZT筒半徑遠(yuǎn)大于厚度(即r2mr2-r1),所以在PZT筒內(nèi)可以認(rèn)為徑向電場強(qiáng)度E為均勻分布。即式中,re=(r1+r2)/2為平均半徑。根據(jù)彈性學(xué)理論構(gòu)造柱面坐標(biāo)系,可以把PZT筒看作是橫向效應(yīng)振子,即在徑向施加電場,在圓周圍方向發(fā)生應(yīng)變。經(jīng)過一系列公式推導(dǎo),可以得到其中,s為PZT筒的周長;為泊松比;AE是一常數(shù),與PZT筒的材料及外形有關(guān);kfn為光纖剛度系數(shù);Np為光纖匝數(shù);kdp是負(fù)載系數(shù)
6、,這主要是考慮光纖繞在PZT上應(yīng)變的不一致及滑動所產(chǎn)生靈敏度下降,一般取kdp=0.11.0。式(5)和式(6)表示了電壓u(t)與光纖應(yīng)變l/l的關(guān)系式,它是PZT把電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔坏哪P完P(guān)系式。 可以看到,光纖應(yīng)變l/l與加在PZT兩極的電壓成正比,這是利用PZT實現(xiàn)光纖的相移補(bǔ)償?shù)睦碚摶A(chǔ)。(二)檢測小信號的方法當(dāng)用光纖干涉儀檢測非常小的信號時,兩臂相位差的改變不會超過/2,此情況下可不考慮倍頻,只要解決緩變相位的漂移。我們解決的方案如圖6所示。傳感器在實際應(yīng)用中需要探測的信號頻率一般至少在幾10Hz以上,緩變的隨機(jī)相位噪聲的頻率一般小5Hz。適當(dāng)設(shè)置低通濾波器的截止頻率,將緩變噪聲取出給
7、比較器電路。當(dāng)存在緩變隨機(jī)相移時,相位噪聲通過低通濾波器,造成比較器電平的失配,從而產(chǎn)生輸出并作用于PZT晶體。PZT晶體在電壓的作用下產(chǎn)生徑向的拉伸或收縮,則纏繞在上面的光纖的長度和折射率也發(fā)生變化,使得光相位發(fā)生相應(yīng)變化,通過干涉光路造成了輸出光強(qiáng)的改變,并轉(zhuǎn)換成電壓信號,構(gòu)成了反饋環(huán)路,從而達(dá)到調(diào)制的作用。 在沒有重新達(dá)到平衡之前,比較器的輸出電壓將會在積分回路的控制下不斷的變化(積分回路起到保持電壓的作用),帶動光纖重新回到平衡相位。兩路干涉光中,一路纏在聲敏器件上用于信號檢測,另外一路纏在PZT上用于相位補(bǔ)償。實驗光源的是輸出光強(qiáng)的2mW的LD;PZT相位調(diào)制采用直徑約25mm的PZ
8、T。(三)檢測大信號的方法當(dāng)出現(xiàn)大信號的待測信號時,將出現(xiàn)圖4所示有失真的倍頻現(xiàn)象。我們的解決方案如圖7所示,相應(yīng)實用電路如圖8所示。電路的基本思想是利用PZT晶體的壓電特性結(jié)合PID電路技術(shù)對光纖進(jìn)行調(diào)制,不僅對低頻相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償,而且對信號引起的相位變化也同時補(bǔ)償。這樣將信號緩變漂移及信號倍頻問題同時解決。檢測水聽器輸出干涉光的光電管D7將干涉光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)變成電流的變化,由12、13、14腳構(gòu)成的運放將其變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化并放大,W1的作用是調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。W2的作用是調(diào)節(jié)信號的直流分量,以消除干涉光的直接分量。由2、3、1腳構(gòu)成的運放對信號進(jìn)一步放大,并將信號送入PID控制電路。由5
9、、6、7腳構(gòu)成的運放及其外圍的Cp2、Rp6、Cp4、Rp9組成比PID電路。由于PZT的頻率響應(yīng)在水聽器有效頻段范圍內(nèi)不一致,PID電路中微分回路與積分回路分別針對一些特征高、低頻信號選擇放大。小容量電容Cp3的作用是防止PZT自激,抑制接近PZT本振頻率的噪聲(由外界環(huán)境或電阻等器件噪聲引起)。將反饋電壓信號通過適當(dāng)?shù)膸V波電路(由9、10、8腳構(gòu)成的運放及其外圍組成)就可以提取出信號,得到待測信號??梢钥吹?,本方案既可檢測大信號,也可檢測小信號,但電路較復(fù)雜。 五、實驗及結(jié)果實驗裝置圖如圖9所示,將標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器探頭和光纖水聽器探頭置于同一聲場(對聲源而言位置靠近或?qū)Φ龋┲?,并將兩探頭
10、的輸出同時接到數(shù)字示波器上進(jìn)行比對測量。考慮到桶內(nèi)和振動臺面的振動相差較大,故未采用在國家標(biāo)準(zhǔn)中建議的用放在振動臺面上的加速度計,改用標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器(型號RAS22,715研究所制造)。頻響在3Hz1kHz范圍內(nèi)平坦,約為-178.5dB,靈敏度起伏0.6dB,并將其與被測光纖水聽器探頭同時置于校準(zhǔn)容器(圖9的金屬圓桶)中。所用振動臺型號為2101A,中國航天科技集團(tuán)第702研究所制造。實驗中,激光器的輸出功率約為1mW、波長為1550nm;水聽器信號臂與參考臂為7m、直徑0.12mm的單模光纖。實驗結(jié)果如圖10所示??梢钥闯觯盘柕玫饺鐚嵎从?,沒有出現(xiàn)倍頻失真問題。對比圖3、圖4波形,直觀地看到,低頻
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