（光学工程专业论文）基于相位补偿的光纤干涉测振系统.pdf

学位论文版权使用授权书 y 1 7 8 0 6 。6 。8 。 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：砾去、奴 签字日期：汐p 年占月切日 一州h 芬 签字日期：口，汐年6 月ig 日 中图分类号：t b 9 6 ，t p 2 1 2 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于相位补偿的光纤干涉测振系统 f i b e r - o p t i ci n t e r f e r o m e t e rv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n p h a s ec o m p e n s a t i o n 作者姓名：陈志敏 导师姓名：谢芳 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 2 2 1 6 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：光学工程研究方向：光纤传感 北京交通大学 2 0 10 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师谢芳副教授的悉心指导下完成的，从论文的开题 到论文的最终定稿，无不饱含着谢老师的心血和智慧，谢老师对我的谆谆教导和 言传身教使我不仅在专业知识上得到了长足的进展，还学到了许多科学的研究方 法，这些都将使我终生受益。 谢芳副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向谢芳老师表示衷心的谢意。 冯其波教授、陈士谦、高瞻、邵双运、张斌、崔建英等老师对于我的科研工 作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期| 、日j ，吴思进博士、王亚平博士、高岩博士、杨蜻 博士、高晓婧博士等师兄师姐对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达 我的感激之情。他们严谨的治学态度、孜孜不倦的求是精神潜移默化地影响了我， 鞭策着我在未来的人生之路上要不断进取。 感谢陈筱、陈筱磊、黄睿、李元轩、林泽民、任纪华、任均宇、吴楠、张涛、 余建辉、邹四化等同学，与他们两年的朝夕相处的日子是我一生的精神财富。在 与他们相处的两年里，我感受到了兄弟姐妹般的关怀，让我沐浴在家庭般温馨的 环境中学习生活。 另外也感谢家人，感谢一直以来的默默关心和支持。他们的理解和支持使我 能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 摘要：光纤干涉系统以优良的敏感性和简单的结构，广泛地应用于在线精密测量 领域，对位移、振动、速度、加速度、应变以及温度等参量进行测量。对于很多 光纤干涉测量系统，光纤仅是用来传输光，干涉信号的相位的变化应该只由被测 量的变化量引起。但是由于干涉臂中的光纤的长度对环境干扰非常敏感，这些干 扰将使干涉信号的相位随机地变化，这种相位随机变化将降低测量精度，甚至使 测量系统无法正常工作。为了提高测量精度和测量仪器工作的稳定性，需要对环 境干扰引起的相位的随机变化量进行补偿。 本文研究了利用光纤光栅只反射布拉格波长的特性和波分复用技术构成两个 光程几乎重合的光纤迈克尔逊干涉仪振动测量系统。其中一个干涉仪利用一个反 馈补偿控制系统调节参考臂的光程，使此干涉仪的两臂始终处于正交状态，以此 消除环境干扰的影响，达到稳定干涉仪的目的；与此干涉仪共路的另一个干涉仪 用以完成振动测量工作，此测量系统具有很强的抗干扰能力。该系统通过相位补 偿技术，解决了干涉测量系统对环境干扰敏感、不适合在线测量的问题。该测量 系统动态频率范围为o 1 - 2 0 0i - - i z ，可测量的最大幅值为6 0 岬，测量灵敏度为6 刚。 关键词：光纤干涉仪；反馈补偿；振动测量；光纤光栅 分类号：t b 9 6 ：t p 2 1 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：o p t i c a lf i b e ri n t e r f e r o m e t e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm e t r o l o g y , s u c h a so n - l i n ep r e c i s i o nm e a s u r e m e n to fd i s p l a c e m e n t ，v i b r a t i o n ，s p e e d ，a c c e l e r a t i o n ，s t r a i n a n d t e m p e r a t u r ep a r a m e t e r sd u et ot h e i rp r o m i n e n ts e n s i t i v i t ya n ds i m p l i c i t y f o raf i b e r i n t e r f e r o m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h ef i b e rs h o u l db eu s e dj u s tf o rt r a n s m i t t i n gt h e l i g h ta n dt h ep h a s ec h a n g ei nt h ei n t e r f e r o m e t r i cs i g n a ls h o u l db ei n d u c e do n i yb yt h e m e a s u r e d h o w e v e r , a st h el e n g t ho ft h ef i b e rt h a tu s e di nt h ei n t e r f e r o m e t r i ca r m sw i l l c h a n g er a n d o m l yb e c a u s eo ft h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n sa n do t h e rt y p e so ft h e e n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e ，l o wf r e q u e n c yr a n d o mp h a s ed r i f t sw o u l db ei n d u c e di nt h e i n t e r f e r o m e t r i cs i g n a l t h er a n d o mp h a s ed r i f t sw i l ld e c r e a s et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y , a n di nt h ew o r s tc i r c u m s t a n c e s ，w i l le v e nm a k et h ef i b e ri n t e r f e r o m e t e ru n f u n c t i o n i n g w i t ht h en e e df o ru l t r ah i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t , t h er a n d o mp h a s ed r i f t si n d u c e db y t h ee n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e sm u s tb ee l i m i n a t e d av i b r a t i o n - d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nw a v e l e n g t h - - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g ya n db ye m p l o y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rb r a g g g r a t i n g s ( f b g s ) i sp r e s e n t e d ，o n eo ft h ef i b e ri n t e r f e r o m e t e r si su s e dt os t a b i l i z et h e s y s t e mb yt h eu s eo f a ne l e c t r o n i cf e e d b a c kl o o pt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c e st h a tr e s u l t f r o mt h ee n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e s ，w h i l et h eo t h e rf i b e ri n t e r f e r o m e t e ri su s e df o rt h e m e a s u r e m e n tb ye m p l o y i n ga n o t h e re l e c t r o n i cf e e d b a c kl o o pt ot r a c kt h ep h a s ec h a n g e i nt h ei n t e r f e r o m e t r i cs i g n a l b yu s i n gp h a s ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e ，w es o l v et h e p r o b l e mi nt h ei n t e r f e r o m e t e rs y s t e mw h i c hi ss e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e s a n dn o ts u i t a b l e f o ro n l i n em e a s u r e m e n t t h ed y n a m i cd i s p l a c e m e n tw i t hf r e q u e n c i e s r a n g i n gf r o m0 1 h zt o2 0 0h za n d 、析n lam a x i m u ma m p l i t u d eo f6 01 tmc a l lb e m e a s u r e d ，a n dt h em e a s u r e m e n tr e s o l u t i o nc a nr e a c h6 刚 k e y w o r d s ：f i b e ri n t e r f e r o m e t e r ；f e e d b a c kc o m p e n s a t i o n ；v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ； f i b e rg r a t i n g c l a s s n 0 ：t b 9 6 ；t p 2 12 【，lr d 目录 中文摘要一i i i a b s t r a c t i v 第一章引言1 1 1课题提出的背景1 1 2光纤干涉仪及相位补偿研究现状1 1 3光纤迈克尔逊干涉仪的应用分析2 1 4 1 5 1 6 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 1 3 1测量微位移3 1 3 2测量折射率3 1 3 3测量微应变、应力3 1 3 4测量磁场的强弱3 1 3 5测量压力4 课题研究的目的和意义4 本论文的主要工作4 本章小结一5 理论分析6 参考光与信号光的干涉原理分析6 温度对系统的影响分析8 本章小结10 实验系统结构及原理一1 1 关键器件和技术1 1 3 1 1 激光光源一1 l 3 1 2光电探测器13 3 1 - 3 光纤布拉格光栅( f b g ) 1 4 3 1 4光纤耦合器。15 3 1 5压电陶瓷( p z t ) 1 5 3 1 6波分复用技术1 7 系统结构和介绍1 7 本章小结1 9 反馈补偿与测量分析2 0 反馈补偿环节及分析。2 0 反馈测量环节及分析2 2 4 4 第五章 5 1 5 2 5 3 第六章 6 1 改电电路2 5 4 3 1放电电路原理2 6 4 3 2放电对系统的影响分析2 7 本章小结。2 8 实验结果与讨论2 9 反馈补偿实验及结果2 9 5 1 1系统参数的测定2 9 5 1 2稳定实验及结果31 测量实验及结果3 3 本章小结3 6 结论一3 7 本论文的研究总结3 7 6 2今后需要继续深入的工作3 7 参考文献3 8 作者简历4 0 独创性声明4 1 学位论文数据集一4 2 1 1课题提出的背景 第一章引言 关于物体的微小振动和微小位移精确测量的相关研究是随着精细加工工艺和 微机械技术的飞速发展及大量应用而得到人们的广泛重视的。光学测量技术所具 有的优点是结构简单、精度高、耐高压、耐腐蚀、能在易燃易爆的环境下可靠运 行、抗电磁干扰、动态范围大，并且光学测量技术是一种重要的非接触式无损测 量技术，基于其上述优点，光学测量技术占据了计量测试技术领域的主导地位。 振动测量在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪声消除、结构件的动态特性 分析及振动的有限元计算结果验证等方面都得到了广泛的应用，所以激光振动测 量技术有着广阔的应用与发展前景。目前，常用的激光振动测量方法有激光三角 法、散斑法、全息法、激光多普勒效应法、光纤与微机电( m e m s ) 法和干涉法等。 这些技术的使用，使得激光振动测量的分辨率或精度在很大程度上得到了提 高。但是这些方法的分辨率普遍较低，有操作复杂，不易于实现测量，而只有干 涉测振法能达到较高的分辨率，但是容易受环境干扰的影响【1 1 。 光纤干涉系统以优良的敏感性和结构简单，广泛的应用于在线测量领域。光 纤干涉仪由于体积小、重量轻、抗电磁干扰、能波分复用、高度集成、价格低廉 等优点被广泛应用于精密测量领域，对位移 2 - 4 、振动p - 6 、应变7 。1 0 1 以及温度 1 0 - 1 1 】 等参量进行测量l l 厶1 6 。 对于很多光纤干涉测量系统，光纤仅是用来传输光信号，干涉信号的相位的 变化应该只由被测量的变化量引起。但是由于干涉臂中的光纤的长度对环境干扰 非常敏感，这些干扰将使干涉信号的相位随机地变化，这种相位随机变化将降低 测量精度，甚至使测量系统无法正常工作。为了提高测量精度和测量仪器工作的 稳定性，需要对环境干扰引起的相位的随机变化量进行补偿。 1 2 光纤干涉仪及相位补偿研究现状 光纤迈克尔逊干涉仪的原理图如图1 1 所示。从半导体激光器( l a s e r ) 输出 的光，耦合到光纤中，经过分光比为l ：1 的3 d b 分路器( 3 d b c o u p l e r ) 分成强度 为1 ：1 的两束光，这两束光分别经信号臂光纤和参考臂光纤传输至纤端反射镜， 经反射后再返回至3 d b 分路器汇合产生相干干涉，将两干涉臂的相位差信息转换 成为光功率信息，形成干涉条纹送至光探测器检测。干涉条纹包含了两相干光波 的振幅比和位相差两方面的信息。通过观测光功率的变化判断信号臂上产生的光 程差的变化，以此方法获得测量信息。 m i r r o r 1 m i r r o r 2 图1 i 光纤迈克尔逊干涉仪 f i g u r e1 1 f i b e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r 该光纤干涉仪最大特点是光路几乎全部封闭，光纤两臂可绕成任意形状，结构 灵活，抗电磁干扰，对被测介质影响小，适应性强等特点。因此，它的应用可以 延伸到许多传统干涉仪的禁区，例如用于恶劣环境的高灵敏度传感、水声探测和 地下核爆核查测试。它是许多高灵敏度光纤传感器的重要物理基础。由于光纤两 个反射臂中的光传导特性可以受到温度、压力等外在条件的影响，所以，光纤迈 克尔逊干涉仪可以实现光纤应变、温度等物理量的测量。 光纤迈克尔逊干涉仪对温度、压力等外在条件的敏感有利于信号的检测同时， 也对测量的精度带来了不利的影响。随着工业技术的发展，对精密测量提出了越 来越高的要求。因此，全世界有很多的专家学者在研究开发光纤干涉仪的同时把 光纤干涉仪的稳定性放在了首要地位。在解决光纤干涉仪稳定性的方案中，最主 要的方法是相位补偿技术。d p h a n d 和t a c a r o l a n 等人提出了基于共路干涉随 机相位漂移补偿方法【1 7 】，由于受到可见度的限制，该方法导致测量量程非常小；。 d e j i a ol i n 和x i a n g q i a nj i a n g 等人提出的反馈环补偿相位漂移的方法眩1 ，但是该方 法无法进行连续的在线测量，给现实的测量工作带来不便。 1 3光纤迈克尔逊干涉仪的应用分析【1 8 】 干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出 相干光的光程差位置分布的函数。若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程 差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度发生变化，或是光路中 某段介质的折射率发生了变化，或是薄膜的厚度发生了变化。所以把被测量信号 的变化量通过各种方法，将其反映到光程差上，最终在出射光强中检测出来。通 过分析所检测到的信号就可以得到所要测量的物理量。我们称这种测量方法为相 2 位测量法。由于它方法简单，精度高，正在被广泛应用于各种测量仪器中。 光纤迈克尔逊干涉仪系统是众多干涉仪的一类，因为其参考臂与信号臂可以 分开间隔很远，所以测量比较方便，用途很广泛。当然，光纤迈克尔逊干涉仪系 统还有别的用途，这有待于进一步研究、开发。 1 3 1测量微位移 在图1 1 中，把信号臂一侧的反射端面贴在待测量对象( 比如置于空气中) 上，信 号臂光纤端面与反射端面距离为乇，当反射端面随着待测物体发生微位移时，使乇 发生变化，两臂的光程差也发生了变化，进而使得干涉光的光强发生变化，以此 来达到测量微位移的目的。采用光的干涉法测量微位移是目前精度最高且实用的 方法。 1 3 2测量折射率 在图1 1 中，把信号臂一侧的反射端面固定，信号臂光纤端面与反射端面距离 为乇，待测物体长，、折射率为刀，待测物体置于信号臂光纤端面与反射端面之 间后，会有光程差的变化。待测物体折射率刀改变了干涉光的光强，而待测物体 长z 可以测量出来，从而可以通过光强的变化测量物体的折射率，z 。 1 3 3测量微应变、应力 把信号臂紧贴在被测量对象表面，当应变波作用在信号臂上时，使光纤发生 微小形变进而改变信号臂光纤的折射率，光纤的折射率咒的变化使相位差驴变化， 进而使干涉光的光强发生变化，以此来达到测量微应变、应力的目的。 1 3 4测量磁场的强弱 把信号臂涂上一层磁敏材料置于待测量磁场中，当磁场作用在磁敏材料上时， 使光纤发生收缩或伸展进而改变信号臂光纤的折射率聆和长度，使相位差缈发 生变化，进而使干涉光的光强发生变化，以此来达到测量磁场的强弱。 k i 1 3 5测量压力 图1 1 中，把压力膜片表面镀上一层反射膜作为信号臂光纤的反射端面，压力 膜片距离信号臂光纤端面j ，当待测压力p 作用在膜片上时，尸改变了，的值从 而缈也发生了变化，同时，也改变了反射率，进而改变干涉光的光强，来达到测 量目的，这种测量方法精度高，测量压力的范围大且能实现非接触式测量。 1 4课题研究的目的和意义 光纤干涉仪在实际当中有着广泛的应用前景。但是在发展过程中，光纤传感 器也表现出一定的问题，阻碍其快速发展，例如光纤干涉仪易受环境因素的影响， 特别是环境温度对相位的影响非常显著。对于光相位调制，信息都承载于光的相 位之上。因此，环境的变化很可能影响调制信号的质量，甚至得不到相位调制信 号。这种相位随机变化将降低测量精度，甚至使测量系统无法正常工作。 这使得很多对于光纤迈克尔逊干涉仪的研究都停留在实验阶段，很难运用到 实际工作中。因此，解决光纤迈克尔逊干涉仪的稳定问题，就成为它在实际系统 中应用的一个关键问题。通过本课题的研究，可以很好的解决这一问题，通过设 计制作反馈电路进行实时相位补偿，使干涉系统能够自动补偿环境干扰对其的影 响，使迈克尔逊干涉仪在光纤传感和光纤通信领域得到广泛的应用。 本课题由北京市自然科学基金( 3 0 7 2 0 0 9 ) 项目“基于波分复用技术的光纤干 涉纳米在线测量系统研究”资助。 1 5本论文的主要工作 本文为了解决由于环境干扰引起对光纤干涉仪测量精度的影响及不稳定性问 题，提出了基于波分复用技术的两个光路几乎重合的光纤迈克尔逊干涉仪反馈补 偿系统。该测量系统包含干涉臂几乎重合的两个光纤迈克尔逊干涉仪，其中一个 光纤迈克尔逊干涉仪利用一个反馈补偿环节消除环境干扰对测量系统的影响，以 提高系统的测量精度；另一个光纤迈克尔逊干涉仪利用另一个反馈测量环节跟踪 由于振动位移引起的相位的变化，从而实现对振动幅值的测量及方向的确定。 本论文的主要工作如下： 1 在大量调研的基础上，对光纤传感技术的国内外发展现状及发展趋向有较为 4 良 全面的了解，明确当前光纤干涉仪测量系统所面临的关键问题； 2 掌握光纤迈克尔逊干涉仪的结构特点，及其用于振动位移测量的基本原理及 设计要点： 3 由于激光二极管对电源的要求较高，为防止因电源电压不稳而击穿二极管， 故设计并制作了激光器的电源。并把它装入盒中，方便移动携带； 4 按照理论计算出来的参数设计并制作了反馈补偿和测量电路及放电重置电 路； 5 搭建系统，调试并进行根据实验情况对参数调整，不断优化系统使整个系统 满足实际在线测量的需要； 6 验证实验，获取重要数据，在重要期刊上发表文章。 1 6本章小结 在本章中，简单介绍了现有的光纤干涉系统的构成、优缺点以及需要改进的 地方，重点提出了相位补偿的关键问题；又对光纤迈克尔逊干涉仪的应用做出分析； 阐明了本课题的意义，最后提出本论文的主要工作。 第二章理论分析 2 1参考光与信号光的干涉原理分析1 9 。2 2 】 如图2 1 所示，设2 2 的3 d b 耦合器的耦合率( 耦合系数) 为孝，传感臂和参考臂 有相同的光衰减系数口。 m e a m i r r o r r e f m i r r o r 图2 1光纤迈克尔逊干涉仪原理图 f i g u r e 2 1d i a g r a mo f f i b e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r 从激光器发出的光注入到光纤中，入射光的光场可表示为 e = 岛一知棚 ( 2 1 ) 式中：e o 为光波的振幅；缈为光波的频率；k o 为光波在真空中传播时的波 数；刀为光纤纤芯的折射率；，为光波传播过程中通过的光程。 设注入到光纤的光强为o ，则有 i o = e e = e 0 2( 2 2 ) 光源注入迸光纤耦合器后，因为交叉耦合使得图2 1 中信号臂中的传输光产生； 州2 的相位延迟，如图2 2 所示。 信号臂 图2 2 信号光相位延迟示意图 f i g u r e2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es i g n a ll i g h tp h a s ed e l a y 则得到进入参考臂与信号臂的传输光的传播函数为： t = e o 口孝2 e 埘却 ( 2 3 ) 式中z ，为参考臂光纤的长度。 6 e ：磊石f 瓦懈州+ 争 式中乞为信号臂光纤的长度。 经过光纤端面反射后，两束光再次进入光纤耦合器时， 相位延迟，如图2 3 所示。 参考臂 ( 2 4 ) 参考光也出现州2 的 信号臂 图2 3参考光相位延迟示意图 f i g u r e2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h er e f e r e n c el i g h tp h a s ed e l a y 设光纤反射端面的反射率为r i ，则光电探测器检测到的两束光的传播函数 为： e = 磊口母孝2 p “耐一岛西 ( 2 5 ) e = e o4 a r i ( 1 - 善) 2 e 耐一b 峨 ( 2 6 ) 这两束光在光纤耦合器处产生干涉，光电探测器p d ( p h o t o d e t e c t o r ) 接收到的 干涉光的光强，为： i = ( e ，+ e ) ( 巨+ e ) ( 2 7 ) 由双光束干涉的结论得到 1 = + + 2 4 i , i 。c o sa f o ( 2 8 ) 相位差a r p 为 a r p = 2 k o n l ，一2 k o n l ， ( 2 9 ) 把式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 带入式( 2 8 ) 得到 i = 厶口r 厂 孝2 + ( 1 一孝) 2 + 2 孝( 1 一孝) c o s a r p 】 ( 2 1 0 ) 若2 x 2 的3 d b 的耦合器耦合系数孝= 0 5 ，则式( 2 1 0 ) 变形为 ，= i o c t r s 1 + c o s a f o ( 2 1 1 ) ，= 一 ，7l1l 2 若光纤反射端面的反射率r 厂很高，接近于l ，光纤迈克尔逊干涉仪系统中光 电探测器探测到的干涉光的光强，为 j ：竽【1 + c o s 纠 ( 2 1 2 ) 这里的缈可表示为： 7 缈：竿出：半2 万 ( 2 1 3 ) 几l 其中名为相干光波的波长，越为光程差。可以得出，当光程差出改变五2 ， 探测到的光强变化一个周期。可见干涉光强，是光程差矽的函数，通过处理光强 的变化，可以得出光程的变化，也就可以进行振动位移的测量。一般光纤干涉仪 的干涉波长都采用纳米级，因此干涉仪的灵敏度可以达到纳米。这也是现在的光 纤干涉仪能够得大力推广的原因之一。 干涉条纹的可见度y 定义为 tt y = 挚半 ( 2 1 4 ) tt 。、_ ， l m a x l - m 拥 由式( 2 1 4 ) 可知，从理论上看干涉条纹的可见度y = l ，即亮暗条纹区别非常明 显，当利用光探测器观察时，得到的是光强随时间变化的正弦波信号，这与实验 现象是吻合的。 2 2温度对系统的影响分析 2 2 - 2 5 】 在前面的式( 2 1 2 ) 中，缈= 仍一仍为相位差，即a c p = 2 n n ( a 一厶) 肛。可见 干涉光强，是光程差9 的函数。环境温度，空气振动等扰动引起的干涉臂光纤的 抖动最后都反映到光程差够的变化上，即探测器检测到的干涉光强上。 环境的温度，外界的振动，甚至是空气的流动都可能对干涉仪的干涉效果产 生影响。在这些因数之中，温度对干涉仪的影响最为明显。下面从温度对石英光 纤的影响，进而得到温度对光纤迈克尔逊干涉仪输出光功率的影响e 9 - 1 0 。温度发 生变化，光纤会产生热胀冷缩效应，从上面的讨论可知在长度为三的光纤中传播光 波的相位为 ， o 矿= + 比= + 等n l ( 2 1 5 ) 为初始相位差。光经过两臂后，光波的相位仍，仍分别为 仍= 仍。+ k o n z l = 仍。+ 车，喝 仍= + 鸣= + 等鸣 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 当光路厶( 设定厶温度不变化) 温度变化了d t 。折射率甩和光纤长度厶分别 有增量砌和码( 此处没有考虑温度对光纤直径的影响) ，公式( 2 1 7 ) 中仍与温度丁 的关系可用全导数表示为 亟= 鬻鲁+ 玺堕= 等b 堕+ 啊堕) (218)dtd td td t饥刃弘 五l 1 、 即为： 8 上亟：丝f 亟+ 盟堕1 厶d t al 刀厶d t j 仍的全微分为 姒= 等( 厶嘲+ 惕码) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 当厶= 厶= l ，仍。= 仍。= 矿，啊= = 刀时，温度变化后，仍，仍的相位差分 别为 d 仍= 等( 厶机+ ，z i 码) ( 2 2 1 ) 娩= 等( 厶砒+ 伤鸩) ( 2 2 2 ) d 妒= 三子( 幽+ 玎班) ( 2 2 3 ) 生：车f 塑+ 刀要1(224)l 五。- 。 7 d t刀， 、7 d ( 伊) = 妃一锄= 孚 三( 也一呶) + 刀( 鸩一心) ( 2 2 5 ) 式( 2 2 5 ) 中的d n ，d l 是受温度调制的，亦即温度调制了光纤的相位。 式( 2 2 5 ) 具有普遍性，等号左边表示单位长度的光纤受温度影响、温度每改变 1 摄氏度光纤中光的相位的改变量，等号右边的a a r ，a l a r 分别表示受温度的 影响光纤折射率的变化率和长度的变化率。有资料显示，对于光源采用h e - n e 激 光器( 五= 6 3 2 8 n m ) ，石英光纤( 刀= 1 4 5 6 ) 的温度影响参数： ! 塑：1 0 6 5 朋d 。c 聊 ld z 。 鱼：1 0 1 0 - 6 。c ! 一d l ：5 1 0 - 7 。c ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 9 8 ) 由式( 2 2 6 ) 知，对于长1 聊的石英光纤，传感臂温度每改变1 0 c ，两臂产生的相 位差为1 0 6 5 r a d ，式( 2 2 7 ) 和( 2 2 8 ) 分别为石英光纤折射率的温度变化率和线膨胀系 数。对于波长为1 5 5 0 r i m 的激光，l m 的石英光纤，传感臂温度每改变1 。c ，对应 两臂产生的相位差为4 3 4 6 r a d 。 因此对于由光纤构成的迈克尔逊干涉仪，若两干涉臂离得比较远，或长度相 差比较大时，则也一砒，弛一鸩的值变大，两干涉臂上的石英光纤折射率的温度 变化和光纤长度的变化都比较明显，所以很容易受到温度的影响，使得输出光功 率不稳定，造成检测结果不准确。在光纤干涉仪的测量过程中需要考虑环境外界 的干扰对其的影响。 9 1 0 第三章实验系统结构及原理 该测量系统包含干涉臂几乎重合的两个光纤迈克尔逊干涉仪，其中一个光纤 迈克尔逊干涉仪利用一个反馈环节补偿环境干扰对测量系统的影响，以提高系统 的测量精度；另一个光纤迈克尔逊干涉仪利用另一个反馈环节跟踪由于振动位移 引起的相位的变化，从而实现对位移幅值的测量及方向的确定。该系统可对频率 为o 1 2 0 0h z 的振动进行测量，测量灵敏度为6 # m v o 当信号臂光纤受外界信号扰动场作用时，其中传输的光相位发生变化；而参 考臂光纤与外界信号无关，其光的相位保持不变，因而产生相位差，导致干涉条 纹产生相应的位移，经探测系统探测和信号处理后即可解调和被测量有关的相位 移。迈克耳逊干涉仪的优点是结构简单，只需要一个3 d b 分路器。 3 1关键器件和技术 本系统的关键器件包括光源、光电探测器、光纤光栅、光纤耦合器、压电陶 瓷、波分复用器和光纤准直透镜等，用到的主要技术有波分复用技术等。 3 1 1激光光源 光源采用的是带f c p c 接口的1 5 5 0 n m 同轴半导体激光二极管。其性能曲线 如下图3 1 图3 1 激光二极管主要性能曲线 f i g u r e3 1l a s e rd i o d ep e r f o r m a n c ec u r v e 激光光源的主要技术参数如下表： 类型d f b l 数值d f b 2 数值 l a s e rt e m p e r a t u r e ( * c ) 2 52 5 w a v e l e n g t h ( n m ) 1 5 5 7 3 61 5 5 8 3 8 i t h ( m a ) 1 0 1 0 i f ( m a ) 3 03 0 p o ( m w ) 2 5 72 5 7 v f f v ) 1 1 1 41 1 1 4 i m ( u a ) 1 9 1 21 9 1 2 r s ( o h m s ) 1 0 0 81 0 0 8 s l o p e ( w a ) o 1 2 5 0 1 2 5 p e a kw a v e l e n g t h ( n m )1 5 5 7 3 21 5 5 9 0 0 s m r s ( d b ) 4 6 5 4 4 6 5 4 s p e c t r a lw i d t h ( m 2 0 d b ) 0 2 00 2 0 表3 1 激光器的主要技术参数 t a b l e3 1t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m 武e mo f l a s e r 由于激光二极管对电源的要求较高，为防止因电源电压不稳而击穿二极管， 故设计了以下如图3 2 所示的供电电路作为激光器的电源。电路采用1 2 v 稳压电 源供电，通过稳压管对激光器p n 结两端进行稳压，达到使激光器稳定发光的目的。 二 d l 1 n 9 1 4 图3 2 激光器驱动电路原理图 f i g u r e3 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h el a s e rd r i v e rc i r c u i t 通过调节1 0 k 的电位器可以调节加到激光器上的电压，即可根据需要改变激 1 2 光器的出射光强。实验中调节激光器的电流，保证激光器工作在线形状态，又不 至于因电流过大而使激光器过热，保证了光源的稳定。将整个光源装置到一铝盒 中，有助于散热，可以进行长时间的工作，同时又方便移动使用。下图为自己制 作的光源实物图。 3 1 2光电探测器 图3 3 分布式反馈激光器实物图 f i g u r e3 3 d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r 光探测器采用的是f c 型接口同轴探测器，其性能曲线如下图： 图3 4 光探测器性能曲线 光探测器探测到的是电流，这里通过一个电流转电压电路得到电压。其电路 图如下页图3 5 所示。 图3 5 电流转电压电路原理图 f i g u r e3 5 c u r r e n tt r a n s f e rv o l t a g ec i r c u i ts c h e m a t i c 光电探测器的主要参数如下表( 技术测试指标是在2 5 ) ： 类型数值单位 波长范围 1 0 1 6 5 “m 线性范围 7 0 + 1 0d b m 响应度( 0 v )r 1 3 1 娃0 8 0 ；r 1 5 5 驼0 8 5 删 暗电流( 5 v ) 0 ，g 两端电压u ( t ) ，即为芯片复 图4 5 放电电蹯原理图 f i g u r e 4 5 b l o c kd i a g r a mo f t h ed i s c h a r g ec i r c u i t 位电压，对于输出高电平为5 v 的电路，当u ( t ) 3 5 v 时，q 端即被置为低电平： ) = 吉恁 ( 4 3 9 ， 等式两边求导处理： a n ( t ) ：u o - u ( t ) ( 4 4 0 ) d t 恐3 0 缺：芸 ( 4 g - i z 4 4 1 ) 一= 一 i_- 一“( f ) r ，c 4 、7 由初始状态r = 0 ，u ( 0 ) = 0 ：f = 佃，“( 佃) = u o 和u ( t ) u 0 ，( o f 佃) 得 丽1 万d e u o 一”( ，) = _ 丽d t ( 4 4 2 ) 容易解得： “( f ) = t r o u o e q( 4 4 3 ) 若u 为4 0 1 6 触发的最低高平电压，根据器件手册取3 5 矿。当甜( f ) = u 时， 喜 u = v o r o e 鲥4( 4 4 4 ) p h i 卜长l 式( 4 4 5 ) 为放电电路作用在系统的时间，将各值代入可算得积分电容端短路 时间为0 6 m s ，可见其作用时间极短。在实验电路中，其作用时间会因为前端电路 和后续电路的共同作用以及器件的延迟而使放电过程对系统的影响时间变长。 4 3 2放电对系统的影响分析 由于两个d f b 激光器的波长很接近，两个光纤迈克尔逊干涉仪有各自独立的 反射镜，所以对积分电容和p z t l 的放电不会影响测量工作。这可由图4 6 加以证 明。 由图4 6 所示，测量干涉仪的两个干涉臂的臂长可表示为： 厶= i i l + 2 + 3( 4 4 6 ) l 2 = ，2 l + ，2 2 + ，2 3 ( 4 4 7 ) 式中： 厶和l ：是测量干涉仪的两个干涉臂的长度，。和乞。参考干涉仪的两 个干涉臂的长度，厶，和，：，分别为测量干涉仪的两个干涉臂中的光纤光栅到准直镜 端面的距离，厶，和，分别为准直镜端面到反射镜和参考镜之间的距离。 图4 6 两个干涉仪的干涉臂之间的关系 f i g u r e4 6 t h er e l a t i o n s h i po f t h eo p t i c a lp a t h si nt h e t w oi n t e r l e a v e df i b e ri n t e r f e r o m e t e r s 测量干涉仪的光程差，可表示为： 。= n f ( ，2 l 一厶1 ) + 厅窖( ，2 2 一i i 2 ) + ( ，2 3 1 1 3 ) ( 4 4 8 ) 式中：刀，为光纤的折射率；刀。为准直镜的折射率。 测量干涉仪的相位差为： 2 7 一2 a n a 。= 了2 , 7 _ 心，一。) + - 等n g ( 1 2 2 一：) + 等( 乞一，) = 佛+ 伊( 4 4 9 ) = ( 2 n + 1 ) 2 + 9 式中：哆是参考干涉仪的相位差，伊是由于：和乞的光程差以及，和乞的 光程差引起的相位差，”是整数。由方程( 4 4 9 ) z - j 知，纯的有效值决定于伊而与 参考干涉仪的相位差纯无关。反馈补偿环节对积分电容和压电陶瓷管p z t l 的放 电只改变行的大小，方程( 4 4 9 ) 仍得到满足。这将使放电对测量没有影响。 4 4 本章小结 本章从理论上对反馈补偿环节和反馈测量环节进行分析，先是对电路部分进 行电路分析，再根据自动控制理论分别论证了测量系统的稳定性和可行性。并提 出了积分电容的饱和会影响测量的连续性问题和解决方法，即设计了放电电路。 分析得出放电过程对系统的测量过程没有影响，整个系统适合连续在线测量。 第五章实验结果与讨论 5 1反馈补偿实验及结果 研究了利用光纤光栅对波长具有选择的特性及波分复用技术构成具有自补偿 功能的光纤复合迈克尔逊干涉振动测量系统。该系统包含两个光路几乎重合的光 纤迈克尔逊干涉仪，一个光纤迈克尔逊干涉仪利用一个反馈补偿环节补偿环境干 扰对测量系统的影响，另一个光纤迈克尔逊干涉仪利用另一个反馈测量环节跟踪 由于测量镜的振动引起的相位的变化，从而实现