（光学专业论文）光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文提出了一种高分辨率的液位测量技术，能够实现对低粘滞度液体的连续测量。 该系统是基于麦克尔逊干涉仪设计的白光干涉系统，具有结构简单，操作方便，安全性 高，抗干扰能力强等特点，可以广泛地用于液位测量和监控，特别适合于小范围高分辨 率的测量要求。实验结果显示在8 6 m m 的测量范围内分辨率可以达到1 2 5 , u r n 。另外， 将液位测量系统做改动，使其能同时测量透射光强和液位变化，进而计算液体的吸收系 数，实验结果基本符合b e e r l a m b e r t 定律，解决了光穿过细胞外液到达细胞时光强大小 的测量问题，为在溶液中定量研究光场与细胞的相互作用奠定了基础。 论文从理论和实验上分析了白光干涉光源的设计，包括驱动电路和探测放大电路的 设计，并且比较了小功率和大功率光源的恒流驱动电路的设计。实验结果显示小功率光 源可以利用三端集成稳压器和限流电阻实现恒流驱动( 1 0 0 m a ) ，大功率光源可以利用 负反馈放大电路实现恒流驱动( 1 a ) 。 关键词：液位测量；吸收系数；白光干涉 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 t h ed e s i g no f w h i t e - l i g h ti n t e r f e r o m e t e ra n di t sa p p l i c a t i o nf o rl i q u i d l e v e la n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o do fl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tw i t hah i g hr e s o l u t i o ni sp r e s e n t t h i sm e t h o dc a l lm e a s u r ec o n t i n u o u s l yl i q u i dw i t hl o wv i s c o s i t yc o e f f i c i e n t t h ew h i t el i g h t i n t e r f e r o m e t e rw a sb a s e do nt h em i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e ra n dt h et e c h n i q u ei sac o n v e n i e n t ， h i g hr e s o l u t i o n ，n o n c o n t a c tm e t h o d i tc a nm e e tt h en e e do fs m a l lm e a s u m m e mr a n g ea n d h i g hr e s o l u t i o ns i m u l t a n e o u s l y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h er e s o l u t i o ni s 1 2 5 y m i nt h er a n g eo f 8 6 m m b e s i d e s ，t h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to f e x t r a c e l l u l a rf l u i dw a s c a l c u l a t e db yt h el i q u i dl e v e la n dt h et r a n s m i s s i o nl i g h ti n t e n s i t yw h i c hw e r em e a s u r e db y c h a n g i n g t h ew h i t e l i g h t i n t e r f e r o m e t e r s y s t e m t h e r e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h e b e e r - l a m b e r t sl a w ，a n dt h i sm e t h o ds o l v et h ep r o b l e ma b o u tt h el i g h ti n t e n s i t yw h e nt h e l i g h tp e r f o r a t ee x t r a c e l l u l a rf l u i dt h i si st h eb a s i sf o rs t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i g h t a n dc e l lq u a n t i f i c a t i o n a l l y t h ed e s i g no ft h ew h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t e ri sa n a l y z e df r o mt h e o r i e sa n de x p e r i m e n t s ， i n c l u d i n gt h ed e s i g n so ft h ed r i v i n ge l e c t r o c i r c u i tm a dd e t e c t e da n dm a g n i f ye l e c t r o c i r c u i t t w od r i v i n ge l e c t r o c i r c u i t si sc o m p a r e d o n ei sf | tt h es m a l lp o w e rl i g h ts o u r c ea n dt h eo t h e r i sf i tt h el a r g ep o w e r t h er e s u l ts h o w st h ef o r m e rc a r ! u s e dt h em a n o s t a ta n dl i m i tc u r r e n t r e s i s t a n c e ，t h el a t t e rc a nu s e dn e g a t i v ef e e d - b a c ka m p l i f i e rt oa c c o m p l i s hc o n s t a n tc u r r e n t d r i v i n g k e yw o r d s ：l i q u i d l e v e l m e a s u r e m e n t ；a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ；w h i t el i g h t i n t e r f e r o m e t e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：拯豸日期：丝丑：l ! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：垄塑垫 导师签名：! 丑! 达盘 立立年- l 月翌日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 光纤传感器是伴随着通信技术发展起来的一种新的传感技术，可以用来测量多种物 理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，光纤传感器主要由光纤器件、 光纤、光源和光探测器组成，如图1 1 所示 圆兰一 图i - 1 光纤传感器 f i g 1 1t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r ；光电探测； i信号解调 根据光纤在传感中所起的作用可以分为：光纤自身传感器和利用光纤的传感器。光 纤自身传感器就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量 臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振 等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉，使输出的光的相位( 或 振幅) 发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。利用光纤的传感器。其结构 大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光 的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光 纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。 光纤传感器按调制解调方法可以分为：强度调制，相位调制，频率调制，波长调制 等。相位调制型传感器主要是利用干涉原理来完成信号的检测，各种干涉仪属于相位调 制型。目前干涉仪主要有四类，最先是1 8 8 1 年美国物理学家m i c h e l s o n 发明m i c h e l s o n 干涉仪，随后又出现了s a g n a c 干涉仪，m a c h - z e h n d e r 干涉仪，f a b r y - p e o r t 干涉仪等一 些干涉仪 2 3 1 ，它们的共同点是：光源发出的光都要分成两束或更多束的光，沿不同的路 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 径传播后，分离的光束又组合在一起，产生干涉现象。其基本原理是通过被测能量场的 作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变 化，从而检测出待测的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分 布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为k o n l ，其中k 0 为光在真空中的波数，n 为传 播路径上的折射率，l 为传播路径的长度。一般说，应力、应变、温度等外界物理量能 直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制【l 】。简单地说，将被 测量转为光的波长或光程差的变化，从而使相位发生变化的方法称为相位调制。相位调 制型传感器的主要特点有：灵敏度高；灵活多样，由于这种传感器的传感部分是光纤本 身，因此其探头的几何形状可按要求设计成不同的形状；对象广泛，不论何种物理量， 只要能对干涉仪中的光程产生影响，就可以用于传感，而且，同一种干涉仪，常常可以 对多种物理量进行传感【2 l 。 1 2 麦克尔逊( m i e h e is o n ) 干涉型光纤传感器 麦克尔逊干涉仪是最典型的利用时间相干性产生干涉现象的仪器。所谓光的时间相 干性，在分振幅干涉的情况下，光源发出的光束被延迟后的部分与未被延迟的光束本身 在干涉场中叠加，光波以这种形式发生干涉的能力称为光的时间相干性【3 1 。 p d 图l - 2 光学麦克尔逊干涉仪结构 f i g 1 - 2o p t i c a lm i c h e b o ni n t e r f e r o m e t e rc o n s t r u c t i o n 传统的光学m i c h e l s o n 干涉仪结构如图1 2 所示，从激光器输出的光，由分束器分 成光强相等的两束光，其中一束射向固定反射镜m 2 ，然后返回到分束器，被分束器透 射的那部分光被光探测器接收，被分束器反射的那部分返回到激光器。而射到可移动反 射镜m i 的光经镜面反射又反射到分束器，经分束器反射的光被探测器接收。当两反射 镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长度，即2 n 0 m 其中：u d ( f ) = 毛( ，( f ) + k 2 u ( t + f ) 其中：k l ，k 2 为实常数( 1 、2 光纤臂的损耗系数) ，f 为l 号光路和2 号光路的光程 差所决定的 这样： 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 厶= = ( 2 8 ) 如= k 1 2 + 如2 + 毛如 + 毛也 ( 2 9 ) 考虑平稳光场有： i o = = ( 2 1 0 ) 自相关函数为：r ( f ) = ；l = r ( o ) 所以：厶= ( 岛2 + 如2 ) i o + 毛如【r ( f ) + r ( 一f ) 】 i o = ( 毛2 + k 2 2 ) i o + q k 2r e f ( r ) + f ( 一f ) ) ( 2 11 ) 由部分相干光源的定义： u o ) 2ju o ( v ) e x p - j 2 n v t d v 因此： r ( f ) = u o + f ) u ( f ) = f u ( t + f ) u ( t ) d t r ( f ) = 肛( v ) e x p - j 2 n v ( t + f ) 戤( v ) e x p - j 2 n v t d v d v 。d t r ( f ) = f f v o ( v ) v o ( v ) e x p - j 2 n v f 】c x p h 2 府( v - - v t ) d t d v d v 0 r ( f ) = f f v o ( o v o ( v ) e x p - j 2 n v f 】万( v v ) d v d v 。 r ( f ) = 肛( v ) 1 2e x p - j 2 n v f l a y o 特别地：r ( o ) = j | 乩o h 2 d v 这样： r e t r ( o = r e j 1 u o ( v ) 1 2 e x p - j 2 u v r d v ( 2 1 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 r e f ( f ) ) = f l v o ( v ) 1 2e o s ( 2 n v r ) a v 最后，m i c h e l s o n 干涉仪在宽带光源的激励下，就有： ( 2 1 3 ) 如= ( 。2 + k 2 2 ) j 1 u 。( v ) i2 d v + 2 k 。也j l u 。( 力1 2 c o s ( 2 n v f ) a v ( 2 1 4 ) 通常可以近似地认为两臂的损耗接近，即k * k ：= k 则可简化为：i o = 2 k 2p 。 1 + c o s ( 2 ，r v r ) d y ( 2 1 5 ) 其中：1 0 = i i u o ( v ) 1 2 d v ；f = 2 形；其中：d ；黾m i c h e l s 。n 干涉仪两臂的空间距离差。若 0 只考虑干涉信号中心一套条纹包络，经积分运算后得到归一化的干涉信号强度交流分量 为： 一恫2 c o s ( 协 图2 - 2 白光干涉包络 f i g 2 - 2t h ep r o f i l eo f w h i t e - l i g h ti n t e r f e r e n c e 其输出条纹图为一系列的余弦振荡曲线受到一个缓变的包络调制，如图2 2 所示【2 9 l 。 由以上各式可得出以下结论： 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 ( 1 )当x = 0 时，即两反射面为等光程时，出现零级干涉条纹，与外界干扰因素无关。 ( 2 )干涉信号幅度与光源的输出功率、光纤等的传输损耗、各镜面的反射率等因素 有关。 ( 3 ) 干涉信号幅度按x 2 指数衰减，并且相干长度三c 越短，即光源的光谱宽度越宽， 信号幅度随x 衰减越快，干涉条纹中心位置的确定精度越高。 ( 4 ) 若由所测量的物理量引起的干涉仪的光程差改变，则输出的条纹的中心位置也 会相应的改变。 大连理工大学硕士学位论文 3 白光干涉仪设计 白光干涉仪系统主要由以下几个部分组成：光源，包括电源电路、光源驱动电路、 p d 探测电路以及信号的放大；3 d b 的光纤耦合器：自聚焦透镜棒；扫描镜；步进电机 等。白光干涉测量最常用的低相干宽谱光源有半导体发光二极管( l e d ) 和超高亮度发 光二极管( s l e d ) ，其中s l e d 输出功率大，对温度和驱动电流非常敏感，需加恒温 恒流控制。而l e d 的输出功率小，对温度没有严格的要求。白光干涉仪发射及接收电路 的设计关键在于l e d 驱动电路的稳定性和光电探测器的频率特性。 3 。1 光源设计 白光干涉仪光源主要包括电源电路、驱动电路和探测电路三大模块。电源是为放 大电路、驱动电路提供电压的；放大电路用来把探测器探测到的光信号转换成电压信号， 再进行放大，经过数据采集卡采集后送到计算机中。驱动电路用来驱动光源发光，还要 实现光强度的调节。 3 1 1 光源所用电源电路 直流稳压电源是电子设备的重要组成部分，基本任务是将电力网交流电压变换成为 电子设备所需要的不随电网电压和负载变化的稳定的直流电压。直流电源的一般组成如 下： 圈一圉一圉 图3 - 1 直流电源的组成 f i g 3 1t h es e t u po f t h e d i r e c tc u t r o n tp o w e r 电源变压器把2 2 0 v 的交流电降到我们所需要的压值范围，通过整流滤波电路将交 流电压变为平滑的直流电压。稳压电路用来清除电网波动以及负载变化的影响，保持稳 定地输出电压。 根据需要我们设计了输出电压为5 矿和+ 1 2 f 的稳压电源，电路中主要器件有中心 抽头变压器、整流桥、电解电容、7 8 系列和7 9 系列的稳压块。 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 图3 2 电源电路 f i g 3 2c i r c u i to f d i r e c tc u r r e n tp o w e ra p p l y 3 1 2 小功率光源驱动电路 一、驱动电路设计 发射电路即l e d 驱动电路，稳压电源提供+ 5 v 电压，其电路图如图3 3 所示，主 要由三端可调集成稳压器l m 3 1 7 、限流电阻r 、电位器j 2 、l e d 、串联电阻r l 和r 2 等组成。 图3 - 3 小电流驱动电路 r i g 3 - 3d r i v i n gc i r c u i to f s m a l lp o w e r 锄 二、限流电阻和串联电阻 l e d 的驱动选用直流驱动方式，而且在实际使用中，l e d 的工作时间较长，保持 电路的稳定性是关键，考虑以上因素，选择了常见的可调集成稳压器l m 3 1 7 。它无固定 的输出电压值，只控制p 0 和a d j 接脚间的电压差为1 2 5 v ，l e d 的最大工作电流为 1 0 0 m a ，驱动电流超过此值时光信号会产生过冲现象 3 0 1 ，而且对光源的寿命也会有影响。 大连理工大学硕士学位论文 本设计中，限流电阻的使用避免了驱动电流超过l e d 的最大工作电流，限流电阻的阻 值为 r ：旦里：1 2 5 q l o o m a 数字面板显示r l 和r 2 两端的电压值，而实际需要显示驱动电路的电流值，利用 面板显示可根据要求确定小数点位置这一特点，本设计选择保留一位小数，即显示二。 1 0 只要r l 和r 2 的总阻值等于1 0 1 2 ，流过它们的总电流就恰巧等于面板的显示电压值， 实现了显示驱动电流的要求。设计中选择r 1 和r 2 均为2 0 d 。 3 1 3 大功率光源驱动电路 一、电路原理图 由于集成运算放大器具有单管或差分放大器无法比拟的许多优点，因此本驱动器设 计方案借鉴了集成运放负反馈型恒流源的基本结构，其基本的电路原理图如图3 4 。所 谓反馈就是在电子系统中把输出回路的电量( 电流或者电压) 馈送到输入回路的过程【3 ”。 图3 - 4 负反馈网络框图 f i g 3 - 4t h es e t u po f t h en e g a t i v ef e e , d - b a c ka m p l i f i e r 其中： v i 为输入电压 v o 为输出电压 v f 为反馈电压 f 为反馈网络的放大倍数 a 为无反馈网络时的放大倍数 由图3 4 可以得出： 光纤自光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 4 = 万，a 为电路中无反馈时的放大倍数，又称为开环放大倍数。 f = 善，f 为反馈网络的放大倍数。 r o 4 = 罟，4 为整个负反馈网络的放大倍数，也称为反馈放大电路的闭环放大 倍数。 通过计算，可以得出： a ，：生( 3 1 ) 1 + a f ( 1 ) n i i + a f i i ，则| 4 f i 条件的负反馈，称为深度负反馈； 负反馈虽然使放大器增益下降，但能从多方面改善放大电路的性能。首先能提高增 益的恒定性。由于多种原因，例如环境温度的变化，器件的老化和更换以及负载的变化 等，都能致使电路元件参数和放大器件的特性参数发生变化，因而致使放大电路增益的 改变由式( 3 2 ) 可以看出引入深度负反馈后，放大电路增益只取决于反馈网络，而 与本身的放大电路几乎无关。反馈网络一般是由一些性能比较稳定的无源线性元件组 成，其传输系数f 十分稳定，因此引入负反馈后增益是比较稳定的。放大电路的稳定 程度用增益的相对变量, u a 来衡量。, u a 越小说明放大器的增益稳定性越好。基本 放大器增益a 的变化必然要影响闭环增益4 的变化，4 的相对变量为d 吩彳， 由式可得： 大连理工大学硕士学位论文 弛= 幽( 1 + 爿f ) 一a f d a ( i + a f ) 2 = d ( 1 + 一f ) 2 则 竺：o 。一i + a f ：土。坐( 3 - 3 ) a rn + a f ) 2 al + 彳，彳 由式( 3 3 ) 可知，采用负反馈后，放大器增益的相对变化减小了( 1 + a f ) 倍。环路 传输a f 愈大，负反馈对放大器增益稳定性的改善也愈显著。 其次，负反馈可以减小反馈环内的非线性失真；抑制反馈环内的噪声，提高信噪比； 扩展频带等。负反馈之所以能够改善放大电路的多方面的性能，归根结底是由于将电路 的输出量引回到输入端与输入量进行比较，从而随时对输出量进行调整。 二、光源驱动电路设计 本文设计采用负反馈放大电路来实现光源的驱动，实验电路如图3 5 所示 + 5d l ，_ 一 图3 - 5 大电流驱动电路 f i g 3 5t h ed r i v i n gc i r c u i t 越a m p e r el e v e l 电路工作原理如下： 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 把电压v l 送入运放a l 的同相端，运算放大器a l 控制功率三极管的导通程度，并 由此获得相应的输出电流。输出电流在采样电阻r 3 a 上产生采样电压，该采样电压经 放大后作为反馈电压反馈回电压放大器a i 的反相输入端，并与同相输入端的电压相比 较，对输出电压进行调整，进而对功率三极管的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系 统处于动态的平衡中，以达到稳定输出电流的目的。 利用虚短，虚断的定义及相关公式，我们可以推导出v l 与i o 的关系： ! 丘： 鉴 r e 3r + r 4 = 熹磁， 弘弘： 又。 k = 玛厶 则： ，：旦一堡垒( 3 4 ) 。墨磁3 + 足4 琶。 根据虚短的定义k 2 k 2 瓦j i i ( 磁，+ 蜀一十马一) 巧2 i 赢瓦( + 屯) o 5 将( 3 5 ) 代入式( 3 - 4 ) 得一 己= 隈击矧摭 b 式( 3 6 ) 即输出电流和输入电压之问的线性关系。 运算放大器我们选用a n l 3 2 4 ，该器件集成了四个运算放大器，如图3 6 所示，该 器件具有相位补偿电路和较宽的电压范围。允许单个或某几个放大器工作。我们用其中 的1 和3 两个放大器。 半导体晶体管的种类很多，按频率分有高频管和低频管，按功率分为小，中，大功 率管，按材料分为硅管和锗管等，按结构分为n p n 和p n p 型。半导体晶体管的一个基 大连理工大学硕士学位论文 本的应用就是把微弱的电信号加以放大，其内部各个电流之间有确定的分配关系，所以 只要输入电流给定，输出电流和输出电压就基本确定了。我们利用负反馈电路来实现对 v m 甜oa 曲n 心篮、 铸 勖踟踟+ v c c 踟v a d v t a 图3 - 6a n l 3 2 4 内部结构 f i g 3 6t h ef u n c t i o no f a n l 3 2 4 三极管发射极电流的调控，保证三极管集电极电流的稳定，进而使l e d 驱动电流保持 在我们需要的范围。另外大功率三极管还应该加散热装置，以保证正常运作。对于采样 电阻，通常影响它发生变化的主要是温度，所以应选择低温度系数的高精度采样电阻。 例如锰铜丝或者是锰铜板材制成的电阻。 三、自激振荡 负反馈对放大电路性能的改善取决于反馈深度l l + a f l 或者环路增益i a f i 的大小， i a 引值越大，放大电路的性能越优良。然而反馈越深，放大电路就不能稳定地工作而产 生振荡现象，也就是放大电路的自激，这时即使不加任何输入信号，放大电路也会产生 一定频率的输出，这种现象破坏了放大电路的正常工作。负反馈放大电路产生自激振荡 的根本原因之一就是a f 的附加相移，通常有频率补偿的方法来消除自激振荡，在基本 放大电路a 或在反馈网络f 中，增加一些元件以改变反馈放大电路的开环频率响应，使 得在保证一定的增益裕度或相位裕度的前提下获得较大的开路增益。在本设计中用一个 电容来消除自激振荡。 3 1 4l a d 探测和电压放大电路 光电探测器是整个设计中重要的一部分，它既是后续电子检测系统的前端设备，又 是前级光学系统的光信息输出和转换设备，直接涉及到整个系统的光信息检测的性能 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 3 2 j 。目前。光电探测器的种类很多，有雪崩光电二极管( a p d ) 、光电倍增管、普通的 光敏二极管和p i n 光电二极管等，其性能各不相同，需根据要求合理选择。白光干涉仪 接收机要求所选光电探测器具有良好的频率特性以及线性特性，这些不仅与探测器本身 有关，还与负载电阻有关，因此探测器和负载电阻的合理选择是设计的关键。 一、探测器选择以及交流响应特性 衡量光电探测器的主要性能指标包括：响应度、光电特性、频率特性、光谱特性、 温度特性以及噪声特性等。雪崩二极管响应最快，但工作时需要加较高的反偏电压，而 且噪声很大。光电倍增管工作时也需要较高的反偏电压，响应偏在紫外方面，主要用于 快速，精密的微光测量，一般不用在白光干涉测量系统中。p i n 光电二极管的最大特点 就是频带宽，可达1 0 g h z 3 3 1 ，另一个特点是线性输出范围很宽，而且噪声低，性能稳定。 因此，本设计光电转换器件选用p i n 光电二极管。 为了得到很窄的干涉条纹，所选的探测器必须有很好响应特性。实际应用中决定 p i n 光电二极管频率响应的主要因素是电路时间常数t = c o 足，p i n 光电二极管的结 电容c 。一般可以控制在几个皮法量级，适当增加反偏电压，c 。还可以进一步减小，r 越小，t 也越小，但输出电压也小，因此合理选择负载电阻是实际使用p i n 光电二极管 为得到交流响应特性必须考虑的问题。经调试，垦选择1 m 的阻值能满足要求。 二、i v 转换 、 、 蹦 图3 - 7 光电w 转换电路原理图 f i g 3 - 7s c h e m a t i cd i a g a mf o rb vw a r t s f o r m p i n 管在输出短路时，负载电流与光生电流才保持线性关系。本系统采用的p i n 管零偏压、工作方式如图3 7 所示。i c l 7 6 5 0 斩波自稳零集成运算放大器，不仅使p i n 管工作在短路状态，而且实现了i - v 转换i v 转换是为了实现阻抗匹配，反向偏置的 p i n 二极管具有恒流源的性质，内阻很大，在很高的负载电阻的情况下可以得到很大的 大连理工大学硕士学位论文 电压信号，但如果将反向偏置状态下的p i n 二极管直接接到实际的负载电阻上，会因阻 抗的失配而削弱信号的幅度。因此需要把高阻抗的电流源变成低阻抗的电压源，然后再 与负载相连。 三、接收电路设计 接收电路即光电探测，包括光电转换，i - v 转换和电压放大三部分，见图3 8 ，主要 由p i n 光电探测器，i c l 7 6 5 0 斩波自稳零集成运算放大器和o p 0 7 运算放大器组成。光 电探测电路的设计需要满足光电转换能力强，信号检测能力强，稳定可靠等技术要求1 3 4 l 。 胛 图3 - 8 探测放大电路 f i g 3 - 8d e t e c t e da n dm a g n i f yc i r c u i td i a g r a m 3 2 光纤耦合器 光纤耦合器又叫分路器，是一种用于传送和分配光信号的无源器件。通常，光信号 从耦合器的一个端1 3 输入，而从另一个端1 3 或几个端1 3 输出。因此，光纤耦合器可以用 来减少系统中的光纤用量以及光源和光纤活动接头的数量，也可用作节点互连与信号混 和。在光纤传感器的干涉仪中，光纤耦合器起着分束与混和光信号的双重作用，使光干 涉得以实现。本实验所用的光纤耦合器是一种全光纤型定向耦合器，其主要特点是： ( 1 ) 器件的主体是光纤，不含其他光学元件 ( 2 ) 通过光纤中传输模式的耦合作用来实现光的耦合功能 描述光纤耦合器的技术参数： 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 ( 1 ) 插入损耗 就光耦合器而言，插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率 的减少值。该值通常以分贝( d b ) 表示，数学表达式为： p 三厶= 一l o l g 二区芝( d 动 ( 3 7 ) p h v 其中，l l 是第i 个输出端口的插入损耗；p o u t 是第i 个输出端口测到的光功率 值；p i n 是输入端的光功率值。 ( 2 ) 附加损耗 附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。 该值以分贝( d b ) 表示的数学表达式为： d e 厶= 一1 0 1 9r 。v r ( d b ) ( 3 8 ) p l n 值得指出的是，对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是 器件制作过程带来的固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同种类的光纤耦 合器之廊，插入损耗的差异，并不能反映器件制作质量的优劣，这是与其他无源器件不 同的地方。 ( 3 ) 分光比 分光比是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率的比 值，在具体应用中常常用相对输出总功率的百分比来表示。 d c r = - i o k 者4 l 1 0 0 ( 3 - 9 ) 乙p m 例如对于标准x 形耦合器，l ：l 或5 0 ：5 0 代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。 ( 4 ) 方向性 方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输特性的参数。 以标准x 形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入一侧非注入光功率的 比较值，以分贝( d b ) 为单位的数学表达式为： d p 上= 一l o l g 挚( 始) ( 3 - l o ) a t l 其中。p 刖i 代表注入光功率，p 胞代表输入一侧非注入光的一端的输出光功率。 ( 5 ) 均匀性 对于要求均匀分光的耦合器( 主要是树形和星形器件) ，实际制作时，因为工艺的局限， 往往不可能做到绝对的均分。均匀性就是用来绣量均分器件的“不均匀程度”的参数。 大连理工大学硕士学位论文 它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端1 ：3 输出光功率的最大变化量。其数学表达 式为： ，上= 一1 。l g 竺! 盟( 扭) ( 3 - 1 1 ) m a x ( o w ) 。 ( 6 ) 偏振相关损耗 偏振相关损耗是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量俗称偏 振灵敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生3 6 0 0 变化时，器件各输出端口输出光功率 的最大变化量。 p f l = - 1 0 1 9 型筹( 锄( 3 - 1 2 ) m a x ( p , r m l 、 在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，往往要求器件有足够小的偏 振相关损耗，否则将直接影响器件的使用效果。 ( 7 ) 隔离度 隔离度是指光纤器件的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。隔离度高，也 就意味着线路之间的“串话”小。对于光纤耦合器来说，隔离度更有意义的是用于反映 w d m 器件对不同波长信号的分离能力。其数学表达式是 ，= 一1 0 1 9 ( 棚) ( 3 1 3 ) 式中：p t 某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值：p i n 是被检测光信号的输入功 率值。 3 3 自聚焦透镜棒 3 3 1 自聚焦透镜 自聚焦透镜又称为梯度变折射率透镜，其折射率从中心轴到周边沿径向梯度减小， 呈轴对称抛物线分布，具有聚焦和成像功能。当光线在空气中传播遇到不同介质时，由 于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率， 利用产生的光程差使光线汇聚成一点。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜 材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出 射光线被平滑且连续的汇聚到一点。图3 9 表示了自聚焦透镜在不同截距下的光的传播 轨迹。 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 z 硝。2 5 p z 乒o 5 0 p z = o 7 5 p z = l 。o o p 图3 - 9 不同截距自聚焦透镜中光的传播轨迹 f i g3 - 9l i g h tt r a n s m i t t e dt r a c ki ns e l f - f o c u sl e n sw i t had i f f e r e n ti n t e r c e p t 自聚焦透镜的主要参数： 截距p ：在自聚焦透镜中，光束沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即称 为一个截距p 。 透镜长度z ：自聚焦透镜长度z 为透镜两端面之间的距离。 常数a ：自聚焦透镜的折射率分布常数。 数值孔径n 九：4 = n s i n a = 公式中n 表示入射光所在介质的折射率；表示入射光线的最大孔径角。 自聚焦透镜的应用： 由于自聚焦透镜具有体积小、耦合效率高、插入损耗低的优点，并且可以在端面聚 焦及成像，因此它被广泛用于各种有源、无源光器件，如光纤连接器、光纤耦合器、波 分复用器、光衰减器、光隔离器、光滤波器、光开关、光纤准直器、掺铒光纤放大器、 光纤光栅等；同时它也广泛应用于医用光学领域，如数码电子宫腔镜等医用内窥镜。 自聚焦透镜的主要功能有聚焦、准直 聚焦： 喜 大连理工大学硕士学位论文 对于z = i 4 p 截距的自聚焦透镜，根据自聚焦透镜的传光原理，当从一端输入一束 平行光时，经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一端面上。传统曲面透镜是无法实现这样 的聚焦功能的。自聚焦透镜的聚焦功能如图3 - l o ( a ) 所示： 准直： 准直和聚焦的原理是相同的，是聚焦功能的逆向应用。即只不过是输入光为一束汇 聚光，那么根据自聚焦透镜的性质，从另一个端面输出的便是一束平行光，实现了准直 的功能。自聚焦透镜( z = i 4 p ) 的这一准直功能如图3 1 0 ( b ) 所示。 对于z = i 2 p 和z = 3 4 p 的自聚焦透镜亦可根据其传光特性来分析。 s d f - f o c u sl m s ( a ) s d f - 如c u sl e n s 。 c o ) 图3 1 0 自聚焦透镜光轨迹示意图 f i g 3 - 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mf o ro p t i c a lp a t ho f s e l f - f o c u sl e n s 自聚焦透镜利用了梯度变折射率光纤的折射率分布是沿径向逐渐减小的变化特征。 其折射率变化n ( r ) 由公式表述。 ( ，) = n 0 ( 1 一詈，2 ) ( 3 - 1 4 ) 公式中：n o 一表示自聚焦透镜的中心折射率；r 一表示自聚焦透镜的半径； a 一表示自聚焦透镜的折射率分布常数 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 3 3 2 自聚焦透镜棒的制作 本实验所使用的是西安同维通讯技术有限责任公司生产的自聚焦透镜，该自聚 焦透镜的参数如表3 1 所示 表3 1 自聚焦透镜的参数 t a b 3 1t h ep a r a m e t e ro f s e l f - f o c u sl e n s 波长透镜长度数值孔径 直径 镀膜角度j j i 1 3 1 0 n mo 2 5 p1 4 6i 8 m mn 8 度i 自聚焦透镜棒的制作主要分为玻璃毛细管的研磨和粘合透镜和毛细管两个过程。 ( 1 ) 玻璃毛细管的研磨 玻璃套管的内径是1 8 m m ，外径是2 m m 。毛细管的内径是1 2 5 9 m ，外径是1 8 m m 。自聚 焦透镜棒的半径是1 8 m m ，数值孔径为1 4 6 ，单面镀膜，斜8 度角。 一0 = 8 。 图3 - 1 1 斜8 度角自聚焦透镜棒 f i g3 - 11s e l f - f o c u sl e mw i t he i g h td e g r e ef a c e 研磨的目的：去掉切割时在玻璃毛细管表面产生的锯痕和破损，使玻璃毛细管表面 达到所要求的光洁度。由于本测量系统的采用的自聚焦透镜的角度参数为斜8 度，因此 还需要将玻璃毛细管研磨成斜8 度，以便使进入透镜的光损耗最小。 研磨的步骤如下： ( 1 ) 粗磨：将切割后的玻璃毛细管在砂纸上磨平。 ( 2 ) 细磨和精磨：消除粗磨时产生的磨痕，为玻璃毛细管磨面的抛光做好准备。 细磨和精磨的过程都是在光纤研磨机上完成的。 ( 3 ) 抛光：去除玻璃毛细管面上因细磨和精磨而留下的磨痕，使之成为光滑、无 痕的表面。 大连理工大学硕士学位论文 经过以上四个步骤后，便可将玻璃毛细管制作成斜8 度角。 ( 3 ) 制作 先将光纤插入玻璃毛细管中，涂上适当的胶，待充分粘合后，进行上述研磨、抛光 过程；再将斜8 度角的自聚焦透镜放入玻璃套管，充分粘合；然后将涂有胶的毛细玻璃 管放入玻璃套管，通过轻微旋转调节玻璃毛细管在玻璃套管的位置，寻找聚焦时中心光 斑光强最强的位置，该位置为最佳耦合处，将玻璃毛细管固定在玻璃套管中，这样自聚 焦透镜棒便制作成功。 ，嘲：玻辩魏蜘警 艘壤謇譬 图3 一1 2 自聚焦透镜棒 f i g3 - t 2t h es e l f - f o c u sl e n s 鑫聚赣j 鑫镌 3 4 ，j 、结 本章主要阐述了白光干涉原理以及白光干涉光源设计思想，得到如下结论：宽谱光 源是形成白光干涉的关键；小功率光源l e d 驱动电路可由三端稳压器，限流电阻和电 位器来实现恒流要求；大功率光源的恒流驱动我们选用a n l 3 2 4 和三极管等组成负反馈 放大电路来实现；通过p i n 光电二极管和负载电阻的合理选用，实现了光电探测的交流 响应；i c l 7 6 5 0 斩波自稳零集成运算放大器的使用，不仅使p i n 工作在零偏压短路状态， 而且实现了i _ v 转换 光纤白光干涉技术用于液位及液体吸收系数的测量 4 液位的白光干涉测量 4 1 白光干涉系统用于液位测量的意义 液位测量一直是工业上比较关注的问题，比如油罐液位的测量，水位的监测等等， 对液位测量装置的要求根据需要有不同的要求。目前，大范围的液位测量主要基于机械 的，电学的以及光学的方法。电学的方法是比较普遍的方法，但是在易燃易爆的环境下， 考虑到安全性的因素，它的应用受到限制。利用光纤传感的方法可以弥补电学方法的这 一不足，而且光纤传感器灵敏度高，抗干扰能力强，耐腐蚀等优点。光纤传感的方法测 量液位主要可以归结为以下几种方法：泄漏模式光纤液位传感器；基于全内反射原理的 液位计；遮光式液位传感器。一些场合对液位高度的测量分辨率要求很高，发展了长周 期光纤光栅的方法和利用反射光强度的变化感知液面高低变化的方法。 白光干涉传感器由于其具有操作方便，测量分辨率高，不受环境的限制，可以用于 各种场合等优点，近些年来得到了广泛的应用。该技术利用了宽谱光源相干性差，即相 干时间短的特点，能对物体位移及其它可以转换为位移变化的物理量的变化，如压力， 温度等等，进行精确的定位测量。本实验利用白光干涉技术测量液位，能达到微米级的 分辨率，而且可以实现无接触，方便快捷的测量。 4 2 液位测量的实验装置 实验装置如图4 1 所示，基于麦克尔逊干涉仪原理，光源l e d 发出的光，经光纤耦 合到3x2 光纤耦合器。输入到参考臂的光经全反射扫描镜反射后沿原路返回，输入到 探测臂