光纖傳感器相位漂移及倍頻問(wèn)題的解決方法
作者：
時(shí)間：2011-03-27
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
收藏
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
海量資料庫(kù)查詢(xún)
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(diǎn)，已在許多物理量的測(cè)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(cè)中最為精確的系統(tǒng)之一。
光纖干涉儀是一種高精度測(cè)量?jī)x器，但存在相位隨機(jī)漂移及倍頻等光學(xué)問(wèn)題?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)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(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜，并有可能產(chǎn)生信號(hào)波形的失真。另外，雖有采用壓電陶瓷（PZT）的報(bào)導(dǎo)，但未見(jiàn)對(duì)相位隨機(jī)漂移及倍頻問(wèn)題的具體解決方法。為此，本文給出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的解決方案，在原理上說(shuō)明其可行性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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)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(zhǎng)度基本相同的單模光纖（即干涉儀的兩臂，其一為信號(hào)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(hào)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(chǎng)光強(qiáng)分布為
I=I1+I2+2I1I2cos(Φ)=A+Bcos(Φ)（1）
Φ=2nπl(wèi)/λ （2）
式（1）右端是光電轉(zhuǎn)換的信號(hào)，I1、I2分別為干涉儀兩臂單獨(dú)存在時(shí)的光強(qiáng)，在檢測(cè)時(shí)通常以直流項(xiàng)對(duì)待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效應(yīng)，當(dāng)Φ=2mπ時(shí)，為干涉場(chǎng)的極大值，其中m為干涉級(jí)次。式（2）中，Φ為干涉儀兩臂光波的相位差，它可以表示為因?yàn)榄h(huán)境波動(dòng)引起的隨機(jī)漂移信號(hào)S和待測(cè)信號(hào)N之和，由光波波長(zhǎng)λ、光纖折射率n以及光纖兩臂長(zhǎng)度差l共同決定。在波長(zhǎng)一定的情況下，兩臂光程差改變nl，就改變了干涉信號(hào)的相位差，從而實(shí)現(xiàn)傳感功能。
圖1 Michelson光纖干涉儀的典型結(jié)構(gòu)圖
三、相位漂移及倍頻原因簡(jiǎn)析
由式（1）可見(jiàn)，I隨Φ呈余弦變化規(guī)律，I～Φ關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。在Φ=2nπ處為最大值（n=0，±1，±2，……），而在Φ=（2n+1π處取值最小，而在Φ=nπ+π/2處變化最快，I變化最快即表示此時(shí)干涉儀具有最高靈敏度。
圖2 雙光束干涉的I～θ關(guān)系圖
圖3 隨機(jī)相位漂移引起的零漂
圖4 大信號(hào)引起的倍頻現(xiàn)象
1. 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(shí)，PZT筒的外徑周長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，從而使纏繞在PZT筒的光纖長(zhǎng)度及折射率隨之發(fā)生變化，改變光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄏ辔弧?
光纖相位變化量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
（3）
圖5 PZT筒結(jié)構(gòu)
（4）
（5）
（6）
可以看到，光纖應(yīng)變?chǔ)/l與加在PZT兩極的電壓成正比，這是利用PZT實(shí)現(xiàn)光纖的相移補(bǔ)償?shù)睦碚摶A(chǔ)。
2. 檢測(cè)小信號(hào)的方法
當(dāng)用光纖干涉儀檢測(cè)非常小的信號(hào)時(shí)，兩臂相位差的改變不會(huì)超過(guò)π/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。
圖6 檢測(cè)小信號(hào)時(shí)的相位補(bǔ)償原理框架
在沒(méi)有重新達(dá)到平衡之前，比較器的輸出電壓將會(huì)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(dòng)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(hào)檢測(cè)，另外一路纏在PZT上用于相位補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)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PZT。
3. 檢測(cè)大信號(hào)的方法
當(dāng)出現(xiàn)大信號(hào)的待測(cè)信號(hào)時(shí)，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(shí)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(duì)光纖進(jìn)行調(diào)制，不僅對(duì)低頻相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償，而且對(duì)信號(hào)引起的相位變化也同時(shí)補(bǔ)償。這樣將信號(hào)緩變漂移及信號(hào)倍頻問(wèn)題同時(shí)解決。
圖7 檢測(cè)大信號(hào)時(shí)的相位補(bǔ)償原理框架
圖8 檢測(cè)大信號(hào)時(shí)實(shí)用電路
可以看到，本方案既可檢測(cè)大信號(hào)，也可檢測(cè)小信號(hào)，但電路較復(fù)雜。
五、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖9所示，將標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽(tīng)器探頭和光纖水聽(tīng)器探頭置于同一聲場(chǎng)（對(duì)聲源而言位置靠近或?qū)Φ龋┲?，并將兩探頭的輸出同時(shí)接到數(shù)字示波器上進(jìn)行比對(duì)測(cè)量?？紤]到桶內(nèi)和振動(dòng)臺(tái)面的振動(dòng)相差較大，故未采用在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中建議的用放在振動(dòng)臺(tái)面上的加速度計(jì)，改用標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽(tīng)器（型號(hào)RAS22，715研究所制造）。頻響在3Hz～1kHz范圍內(nèi)平坦，約為-178.5dB，靈敏度起伏0.6dB，并將其與被測(cè)光纖水聽(tīng)器探頭同時(shí)置于校準(zhǔn)容器（圖9的金屬圓桶）中。所用振動(dòng)臺(tái)型號(hào)為2101A，中國(guó)航天科技集團(tuán)第702研究所制造。
MEMS/uploa
pid控制相關(guān)文章:pid控制原理
傳感器相關(guān)文章:傳感器工作原理
低通濾波器相關(guān)文章:低通濾波器原理
干涉儀相關(guān)文章:干涉儀原理
隔離器相關(guān)文章:隔離器原理 電流變送器相關(guān)文章:電流變送器原理 光纖傳感器相關(guān)文章:光纖傳感器原理 激光器相關(guān)文章:激光器原理
評(píng)論