光纖傳感器相位漂移及倍頻問題的解決方法
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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)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(Φ)=A+Bcos(Φ)（1）
Φ=2nπl(wèi)/λ （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(dú)存在時的光強(qiáng)，在檢測時通常以直流項對待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效應(yīng)，當(dāng)Φ=2mπ時，為干涉場的極大值，其中m為干涉級次。式（2）中，Φ為干涉儀兩臂光波的相位差，它可以表示為因為環(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λ、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。
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析
由式（1）可見，I隨Φ呈余弦變化規(guī)律，I～Φ關(guān)系曲線如圖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，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Δl/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)。
2. 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 檢測小信號時的相位補(bǔ)償原理框架
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PZT。
3. 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。
圖7 檢測大信號時的相位補(bǔ)償原理框架
圖8 檢測大信號時實用電路
可以看到，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┲?，并將兩探頭的輸出同時接到數(shù)字示波器上進(jìn)行比對測量?？紤]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。
MEMS/uploa
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