（测试计量技术及仪器专业论文）基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文基于力学教学实验改革工程背景，详细介绍了一种将基于光纤的迈克 尔逊干涉现象的光纤传感器应用于应变测量实验系统的整体的设计过程，其中 包括系统设计原理的总体分析，系统的软硬件的设计等等内容。 在本试验系统的设计上采取了基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器作为在 本试验系统的设计上采取了基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器作为应变测量 的首选。但是相对与传统的电阻应变片测量试件的微应变的方法，光纤迈克尔 逊传感器测量应变有其自身的缺点，第一无法对应变的类型有一个明显的指示， 这就要求在后续的信号处理电路中给出如何判定应变方向的实现方法。第二由 于从根本原理上说应变的信号的比较的弱，导致给信号的处理也带来的麻烦， 本文给出了如何提高信号的信噪比的方法。 本文首先介绍了光纤迈克尔逊干涉现象的基本原理，以及光路传感系统的 实现，包括光源器件工作的电路设计与调试，测量系统的构建以及如何提高信 噪比的方法。 其次，讨论了对传感信号的处理，包括对信号的整形放大，采集，对应变 方向的判定以及信号的由下位机如何传输到上位p c 机的方法。在其中涉及到了 单片机的选型，电路的设计，c p l d 的程序设计，单片机程序设计，最后讨论了 用l a b v i e w 软件编写了上位机的程序，包括信号的实时显示，应变大小的计算 以及实验数据的报表生成以及打印等内容。 最后在此基础上，利用以上的一些成果，初步探索了如何使用光纤f - p 传 感器实现应变的测量。 关键词：迈克尔逊干涉单片机光纤传感器判向电路 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c eo n ed e s i g no fas t r a i nm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hi s b a s e do nt h ef i b e r - o p t i em i e h e l s o ni n t e r f e r e rp h e n o m e n a t h et h e o r yo ft h es y s t e m a n dh o wt od e s i g nt h es o f ta n dh a r ds y s t e ma l ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r a tf i r s t ，w ed i s c u s s e dt h et h e o r yo ft h em i c h e l s o nf i b e ro p t i c a ls e n s o r ，g i v i n g t h ew a yt or e a l i z et h el i g h ts y s t e mi n c l u d i n gt h ec i r c u i td e s i g no ft h el a s e ra n dl i g h t d e t e c t o r ，s h o w i n gh o wt oo r g a n i z e t h ew h o l em e a s u r e m e n ts y s t e ma n dh o wt o i m p r o v e t h eq u a l i t yo f s i g n a l s e c o n d l y w e d i s c u s s e dh o wt od e a l 埘廿lt h es i g n a ls u c ha st h es i g n a l sm a g n i f y h o wt oa c q u i r et h es i g n a la n dd e t e r m i n et h ed i r e c t i o no f t h es t r a i n b e s i d e st h e s e ，w e a l s od i s c u s s e dh o wt ot r a n s m i tt h es i g n a la c q u i r e dt ot h ep c ，a n dh o wt op r o c e s si t i no r d e rt or e a l i z et h es y s t e m ，w ec h o o s et h ep r o p e rm i c r o c o n t r o l l e ra n dc p l da n d p r o g r a m t h ec o d e a st ot h ep c ，w ew r o t ea p r o g r a mt os h o w t h e s i g n a l ，t h en u m b e r o fs t r a i na n dt h es t r a i nd i r e c t i o na n ds oo n k e y w o r d s ：m i e h e l s o n m c uf i b e ro p t i c a ls e n s o r 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日期： 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光纤传感器及其研究现状 现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。在信 息化时代，人类将主要依靠对信息资源的开发及其转变、传输和处理进行社会 活动。传感器是感知、获取、检测和转换信息的窗口，处于研究对象与传输处 理系统的接口位置，被比喻为电子计算机实现电脑智能化的“五官”。可以设想 没有高度保真和性能可靠的传感器，纵有再好的传输和处理设备也无法发挥作 用。因此，传感器是实现信息化时代的主要技术基础。 光纤传感器是光、电子技术的新结晶，它的出现标志着传感技术的研究进 入了一个崭新的领域。光纤传感器作为一种新型先进的传感器出现在人们面前 时，它以其独特的优点引起了人们对它的见钟情”，光纤传感器的一个突出 的优点是在整个光纤长度上能连续地获得被测量的响应。传统的几百个传感器 阵列可以用一条光纤取代，由数百条电缆、许多二级控制中心和主控制室组成 的复杂电器系统也可以由光纤和简单的控制器件组成。如今，光纤传感器已经 普遍用于各种物理量的测量，它具有许多独特的优点，诸如抗电磁干扰，结构 轻巧，对材料结构本身的性能影响比较小的优点，广泛的应用于很多物理量如 温度，湿度，应力，电流等的测量，是一种行之有效而且可靠的途径。在未来 的科技领域中将占有越来越重要的地位。 光纤传感器经历了7 0 年代到8 0 年代的起步阶段和发展阶段，这期间设计、 研制了一些高性能、用途各异的传感器，有些已投入使用。到了9 0 年代初光纤 传感器的研究进入了暂缓阶段，光纤传感器的稳定性的提高与成本的矛盾限制 了它的广泛应用。今天的光纤传感器进入了提高阶段，人们在探索新的光纤传 感器的构成机理的同时，把研究的重点放在提高它的某种性能上，如提高精度、 分辨率或抗干扰能力等。自9 0 年代以来，我国已有许多高校对光纤传感器进行 了应用研究，并发表了大量的论文等研究成果。 光纤传感器埋入水利及土木建筑等可作为传光器件来代替电缆用于通讯、 监控、办公自动化等，同时还可作为传感器件用于结构强度的监测和损伤预报， 甚至进行损伤的自修复。三峡大坝将埋入光纤传感网络对大坝内的应变、应力 以及温度等物理量进行监测。 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 光纤传感网络系统是利用光纤传输容量大的特点，结合多个不同类型的传 感器组成的网络系统。分布式光纤传感器与光纤蒙皮系统的研究是这种光纤传 感网络系统在目前的最新应用和发展。其中光纤智能蒙皮技术将首先运用到空 间飞行器上，它把分布式光纤传感器阵列同计算机有机结合起来，这项技术的 研究成功将使光纤传感技术的应用范围更广，3 ，4 - 5 1 。 随着信息产业的迅猛发展，如机器人的深入研究、超大规模集成电路的芯 片制作与定位等对传感器的性能要求越来越高，从而对光纤传感器进一步研究 再一次成为热点。光纤传感器的研究进入应用阶段，具有重大的实际意义。 1 2 几种光纤应变传感器 光纤传感器的种类繁多，就其检测对象可分为：温度传感器、湿度传感器、 速度传感器、磁场传感器、流量传感器以及力学量传感器等。在此简单介绍与 本文所研究的力学量传感器相关的几种光纤应变传感器： ( 1 ) 光纤微弯应变传感器 光纤承受压力后会改变弯曲度，使得通过光纤中的一部分光产生散射损耗。 实际上光纤微弯后的影响因素是很复杂的，如它的折射率、断面形状、光轴都 匿叫卅h 一啦 光学准直器j 霉肄遁镜 检偏镜 l 4 波片 。 带有光纤的复合材料 。 图1 1 偏振型光纤传感器原理图， 将产生变形；同时还要产生双折射现象，引起数值孔径的变化。为了适合埋入 复合材料中使用，可以采用光纤本身纵横交错排列的方法，利用光纤本身的尺 寸制成光纤微弯传感网络。也可用两根光纤紧密绞合的传感元件，利用它可以 做成智能结构中的测量应变的传感器。两根光纤沿着长度均匀地弯曲，光通过 时，一部分被散射产生损耗，当它承受应变时，绞合光纤曲率减小，损耗也就 减小，从而可以根据光强度的损耗来确定应变值。 ( 2 ) 偏振型光纤应变传感器1 6 如上图1 1 所示的是一个偏振型光纤传感器在测量复合材料的微应变的系 统中的应用，从中我们可以看到偏振型光纤传感器的基本构成。它采用激光二 极管作为光源，通过光学准直器、l ，4 波片，再经透镜聚焦后进入埋入复合材料 南京航空航天大学硕士学位论文 中的光纤，当复合材料出现应变后，将使光纤产生变形劳改变纤芯的折射率， 从而改变在光纤中传播偏振光的相位，光纤出口处的光相位发生改变，通过透 镜、检偏镜、光敏管，可检测出这种改变量，从而确定复合材料的应变值。 ( 3 ) b r a g g 光栅光纤应变传感器7 1 光纤b r a g g 光栅的制作与应用 是近年研究的热点。光纤b r a g g 光 栅是在长度上应用特殊技术制作 成纤芯折射率周期变化的一段光 纤。光通过光栅时，由于纤芯折射 率的周期性变化而产生反射。 b r a g g 光栅光纤应变传感器是适用 于智能复合材料中使用的一种准 分布光纤应变传感器。 ( 4 ) 法布里一珀罗腔干涉型 ( f p ) 应变传感器1 8 ，r 。o j 光纤f p 应变传感器的特点是 图1 2 内法布里一珀罗腔应变传感器 采用单根光纤利用多光束干涉来 图1 3 法布里一珀罗光纤应变传感 检测应变。它避免了两根光纤配对的问题，比迈克尔逊型干涉型应变传感器更 适合于低频率应变信号的测量。因此，这种传感器从8 0 年代诞生至今一直是 主要的开发和研究对象。f p 光纤应变传感器可分为内、外两种。图1 2 、图1 3 分别为内f - p 应变传感器、外f p 应变传感器结构示意图。 当激光经过光纤的端面的时候会发生反射，如果在外界条件的作用下，f p 传感器的传感腔长将发生变化，那么从端面返回的光束就会产生一定的相位差， 从而满足干涉条件，发生多光束干涉，那么从光探测器输出的光强也就会有一 定规律的变化。因此这种 光纤传感器非常适用于试 件的疲劳度测量、悬臂梁 的微应变测量以及布入复 合材料本身形成内在的传 感网络。 ( 5 ) 光纤迈克尔逊干 涉仪( m i ) 应变传感器1 1 1 , 1 2 图1 4 光纤迈克尔逊干涉仪 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 如图1 4 所示，这是一个最简单的光纤迈克尔逊应变传感器。光源s 发出 的光，经过分光镜后分成两路，一路经透镜l 2 耦合进入光纤构成参考光，另 一路经透镜l 1 耦合进入光纤构成信号光，被测表面变形使传感光纤长度发生 变化，则光在光纤内部传输时的相位发生变化。光纤的端面都均匀的镀了一层 反射膜，两束光被反射后反向传输，当它们相遇时发生干涉，干涉光的相位差 由被测面的应变决定，即干涉光强受到被测试件的应变的调制。干涉光信号经 光电管接收转换成电信号。通过的对光信号的相应的处理我们就可以得到相应 的应变的大小。这种传感器的特点其一是信号光纤与参考光纤在同一环境中， 因此基本上不受环境变化的干扰；其二是光的发射与接收在同一侧，属于单端 操作。使用时既可放在被测试件的内部形成智能材料，也可放在粘贴在被测试 件的外部。本文的光纤应变传感测试系统就是基于此原理研制的。 1 3 本文的研究内容意义和目的 本文的主要内容是利用光纤迈克尔逊干涉现象的基本原理来设计一种光纤 微应变测量的试验系统光纤迈克尔逊干涉应变测量系统，此系统用于材料 力学试验应变的测量。 1 3 1 本文的研究内容： 一研制出光纤迈克尔逊传感光路系统，将其粘贴在实验件( 纯弯梁或者等 强度梁) 上，调节电路以及对传感部分和电路部分做相应的改进，得到幅值较大， 信噪比相对较高的信号。 二利用单片机主要是t i 的新型的适用于仪器仪表的1 6 位单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，a l t e r a 的c p l d 芯片以及相应的外围信号处理芯片实现信号的整 形调理、采集处理以及应变方向的判定，并实现从单片机到上位机p c 的传输。 三利用l a b v i e w 图形化编程软件编写上位机的程序，实现p c 从下位机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 接收数据，并借助l a b v i e w 丰富的子函数以及强大的数据处理功 能实现信号波形的“实时”显示，应变方向的显示，以及实验窗口界面的设计。 四在本系统的硬件电路的基础上对基于光纤f p 传感器的应变测试系统 信号的采集传输等做了一定的有益尝试，并且取得了一定的效果。 1 3 2 本课题的意义： 光纤传感器是一种先进的传感器件，通常给人的感觉是神秘的而且理论高 4 南京航空航天大学硕士学位论文 深，信号的解调装置复杂昂贵，加之一般的光纤传感器易于损坏，价格较高， 因此在一般的教学实验环节学生的实验还是采用的传统的应变片来进行力学量 的测量实验。由于基于迈克尔逊干涉原理的光纤应变传感器相对于其他的各种 光线传感器而言，工作原理简单，可以重复实验，信号的解调装置简单，因此 非常适合在学生的力学实验中推广，这样可以让学生尽早的接触和认识它，让 学生对光纤传感器有一定的感性认识。将光纤迈克尔逊干涉系统引入实验教学， 可在教学中直接的反映光纤传感技术的展新进展，让学生了解和掌握光纤、光电 子技术基本应用和实验技能，这也是充实和提高物理光学实验教学的理想素材。 将光纤f p 腔传感器应用于传统的力学量的测量，有利于拓宽学生的思路， 丰富学生的测量技能，有利于通过两种不同的光纤传感器工作原理的比较使学 生更深入的理解光纤传感器的特性。 1 4 本章小结 在本章中首先阐述了国内外光纤传感器的研究现状，指出了光纤传感器作 为一种新型的传感器其优于其他传统型的传感器的地方。于此同时介绍了几种 比较常见的光纤传感器，简明扼要的阐述了这几种常见的光纤传感器的工作的 原理。最后给出了这个课题的目的研究内容以及实际的意义，指出这是一套学 生试验系统，其目的是在锻炼学生的动手能力的同时增加学生对光纤传感器这 样新知识，新事物的了解。 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 第二章迈克尔逊干涉传感系统原理及光路设计 2 1 光的干涉原理 当两束或多束频率相同，振动方向一致光波在空间叠加时，叠加区域内出现 稳定的强度重新分布现象，叫光的干涉现象。光波是电磁波，可用麦克斯韦方 程组来描述。由于仅仅电场强度矢量五引起人眼视觉效应，使照相底片感光， 并使各种光电器件反应，因此在研究光学问题时，通常只考虑e ，并称之为光 矢量。由于在各向同性介质中e 的振动方向总是与光波的传播方向垂直，因此 光波呈现横波性。光的干涉理论实质上是建立在电磁场的线形叠加原理上的， 按线性叠加原理，由几个不同的电磁波源在真空中一点上产生的电场强度矢量 e = e ( i ) + 置2 ) 十日3 ) + & 4 ) + ( 2 一1 ) 罨，) ) ，臣：) ，罨，) ，量。) 是不同的波源独立地在该点上产生的电场强度矢量。 e ( 1 ) = 置】) e x p i ( k ：一a t 一4 ) ) ( 2 - 2 ) e ( 2 ) = e 2e x p i ( k 2 r a t 一疋) ) ( 2 - 3 ) 2 1 1 光干涉的基本理论 2 1 1 1 干涉条纹的强度分布 理想的频率和初始相位角稳定的光波可用( 2 3 ) 式表示。考虑角频率同为珊 的两列线偏振平面波的叠加，即 e ( 1 1 + e ( 2 ) = e ( 1 1e x p i ( k l ，一a t 一点) + e 2e x p i ( k 2 ，一a t 一万2 ) )( 2 - 4 ) 应用三角函数变换得 e = e ( 1 ) + e t 2 ) = a c o s ( a t j ) 其中a 2 = a ? + d ；+ 2 a i a 2c o s & i 一8 2 ) 占= a r c t a n 笙訾睾坚磐 ( 2 5 ) t ：，c o s o - + a ，c o s o ， 南京航空航天大学硕士学位论文 q ，口：分别为臣。) ) ，& ：) 的光振幅，0 为合成振幅。，为场点的位置矢量： k 为波矢量；4 和岛分别为两列平面波的初位相差。此时，合成波也是互相 干的。由于场中一点的光强正比于该点上的电矢量振幅的平方，即q ，= j = 去坩i e l 2 ( 2 - 6 ) z 式中s 为坡印廷矢量；v 为波的传播速度；占为介电常数。若仅仅考虑，的相对 值时，可以认为，= f e f 2 ，因此，两单色平面波所产生的合光强为 ，刊e 1 2 = e e + = ( 臣1 ) + e ( 2 ) ) ( e + ( 1 ) + e + ( 2 ) ) = l e i1 2 + i 岛1 2 + 2 e 1 e 2 c o s o = l + ，2 + 2 ，1 l c o s o ( 2 - 7 ) 式中： 0 = k l ，一七2 r + ( 占l 一以) = r ( k 1 一k 2 ) + ( 西一6 2 ) ( 2 - 8 ) 2 i 瓦一c o s 口项称为干涉项；臼称为位相差。当( 国一6 2 ) 为常数时，两个 波源是互相干的。式( 2 - 8 ) 的最后一步是在假定e ，与e ：的振动方向相同的情况下 得出的。此项表示：依赖，的不同，使0 变化，因而使，在空间产生周期性的变 化，这种变化就形成干涉条纹。显然，光强的极大值条件为 r ( k l k 2 ) + ( 占l j 2 ) = 2 m x ( m = o ，1 ，2 ，) ( 2 - 9 ) 光强的极小值条件为： ，( 七1 - k 2 ) + ( 匹一疋) = 2 ( m + 1 ) 7 1 ( m = 0 , - + 1 ，2 ，)( 2 - l o ) 如果初相位差( 点一万：) 以无规则方式随机变化，两个波源就互不相干，结 果使c o s 0 的平均值为零，因而不发生干涉。这就是用两个独立的( 普通的) 光源 不能观察到干涉条纹的原因。如果两列波为偏振波，则干涉项也取决于偏振状 态。当偏振态互相正交时，e ，e ，= 0 ，也同样无干涉条纹。这不仅对线偏振 波，而且对圆偏振波以及椭圆偏振波也同样成立。 若，1 = 1 ：= 1 。，并且4 = 如，则在p 点的位相差口= r ( k 。一k 2 ) ，因此p 点的光强为 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 ，_ 4 小o s 2 掣 ( 2 1 1 ) 可见p 点的光强由两光波到p 点的光程差决定。大多数干涉装置属于上式 的情形。 2 1 1 2 干涉条纹的方向、间隔和空间频率 在式( 2 4 ) 中，假定( 4 一d ：) = 0 ，则光强极大值形成的条件为 ，( k l 一也) = 2 r a n( 2 - 1 2 ) 式( 2 8 ) 是垂直于矢量膏= ( - k ：) 的平面族方程式，即极大值的空间分布，表明 干涉条纹的方向垂直于矢量k 。 因为频率相同，所以有限| - k l = 竿， 几 所以露是两边为k ，和k ，的等腰三角 形的底边【2 4 1 。这样，极大值平面就平 行于a ，和七，之间的内角平分线。从第 m 级极大值平面到坐标原点。的距离 是= 2 x m i k l ，干涉级次为m 和 m + l 的相邻平面间的距离是 图2 1 两同频平面波的干涉 仁i 一_ 两2 丽 p = + 。一= 2 n k i = 2 n - i k l - k ：i( 2 1 3 ) 而旧= e l k i s i n 詈= 等s i l l 詈，因此，干涉条纹的间距是e = 丑( 2 s i n 詈) ，当w 很 小时，s i n w * w ，所以有 p 。鲁( 2 - 1 4 ) w 式中：w w 是在相遇点处，两相干光之间的夹角；或两平面波阵面之 间的夹角，叫相干光束的会聚角。由于( 2 1 5 ) 与干涉仪的具体结构的 几何参数无关，因此是一个普适公式。干涉条纹的空间频率 南京航空航天大学硕士学位论文 。：三：盟：幽 e2 t o2 2 2 s i n ( w 2 ) ：竺 五五 r 2 1 5 ) 2 1 1 3 干涉条纹的可见度 干涉场中某一点p 附近的条纹清晰程度可用干涉条纹的可见度g 来度量， 它的定义是 孝2 瓦1 一n i m i n ( 2 - 1 6 ) 式中：l 。和l 。分别为p 点附近条纹的极大值和极小值。 善= 群畚= 警”巳) l 骂1 2 + j 巨1 2+ l ”1 2 ”“7 式中：口= | e | 2 i e ：1 2 = ，1 ：是两相干光波的强度比：p 。= e 。i f 。j 是沿矢量巨方 向的单位矢量，p ：= e ：l e ：i 是沿矢量岛方向的单位矢量【”h 1 5 那 。 2 1 2 光干涉的基本技术 2 1 2 1 产生干涉的条件 1 两叠加光波的频率相同； 2 两叠加光波有相同的振动分量； 3 两叠加光波的位相差恒定； 4 两叠加光波的光强不能相差过大。 2 1 2 2 影响干涉条纹可见度的因素 由前面干涉条纹可见度的定义以及式( 2 1 7 ) 知：当i 。= 0 时，孝= l ，可见 度有最大值，条纹最清晰，这种情况称为完全相干；当i m 。= 。时，舌= 0 ， 条纹消失在背景光中，这是非相干情况；一般0 l m 。 ，一时，条纹的可见度 0 f 1 ，称为部分相干。 条纹的可见度主要与以下几个因素有关： 1 光源的大小： 2 光源的单色性： 3 两相干光波的振幅比； 4 两相干光的偏振状态； 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 2 , 2 光纤迈克尔逊干涉应变传感系统的基本原理 光纤对许多外界参数有定的效应，光纤传感器就是利用光纤的这些效应， 实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心，也是光纤 传感器系统和光纤通信系统的主要区别。研究光纤传感器原理实际上就是研究 光在调制区内与外界被测参数的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。 外界信号可能引起光的强度、波长( 颜色) 、频率、相位、偏振态等性质发生变 化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。 2 2 1 应力应变效应的传感机理 当光纤受到纵向( 轴向) 的机械应力作用时，光纤的长度( 应变效应) 、光纤芯 的直径( 泊松效应) 、纤芯折射率( 光弹效应) 都将变化，这些变化将导致光纤中光 波的相位变化。 对于直圆柱光纤，采用圆柱坐标( ，妒，z ) 系，光纤的轴线为z 轴。设阶跃型 光纤中传播一平面电磁波，传播方向与光纤轴线( 即g - 轴) 方向一致，记为 甲( r ，妒，：) w r ，伊，z ) = 掣o ( r ，妒) 伸一雕( 2 一t 8 ) 式中，盯为角频率，为传播常数，、壬，。( ，庐) 为横向场。 由式( 2 - 1 8 ) 知，光波通过长度为三的光纤后，出射光波的相位延迟为 妒= 工( 2 - 1 9 ) 式中，口为光波在光纤中的传播常数。 当光纤的长度或传播速度变化时，引起光波相位变化为 伊= 肚+ l a , f l = 肚咩) + 嗟) a n + 嗟灿( 2 - 2 0 )loa口、“j 式中，妒为和引起的相位变化，口为光纤芯的半径。 式( 2 2 0 ) 中第一项表示光纤长度变化引起的相位延迟( 应变效应) ；第二项表 示感应折射率变化( 光弹效应) 引起的相位延迟；第三项为光纤芯的直径变化( 泊 松效应) 引起的相位延迟。一般说，泊松效应引起的相位延迟相对前面两项小得 多，第三项忽略后，式( 2 2 0 ) 可写为 妒：三洋) + ( 娑) 如( 2 - 2 1 ) lo n 根据弹性力学原理，对各向同性材料，其折射率的变化与对应的应变有 如下关系： 南京航空航天大学硕士学位论文 8 f 马 屿 a 8 4 挑 战 ：。暑：日：0 ：日。日：0 ：只：只0 00 0 气 00o0 0000 00 00 00 00 只4 0 0 巳 毛 岛 q 0 o 0 r 2 2 2 ) 式中，暑。、暑：是光纤的光弹系数：只。= 三( 异。一忍：) ；蜀、岛是光纤的横 向应变；岛是光纤的纵向应变。在各向同性材料中，= 毛。 由于墨：( 三) ：、蝎：2 ( 三) ，且假设，z 。：月：吩： ，则 觚= 圭”3 蝎= 圭矾( 置，+ 蚴q + 墨：毛】 同理 ：三矿 ( 弓。+ 暑：) 蜀+ 与：毛】 传：委n ， ( 置。+ 丑：) 与+ 只：岛 蛆= 蛾= 哦= 0 1 纵向应变的相位调制在纵向应变时，根据单模光纤h e 性，可得到相位延迟a 与纵向应变毛之间的关系为 = 憾阳一吉瑚：) 岛 式中，七0 = 等：这里假设卢“n ；岛= 等。 f 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) r 2 2 6 ) 模的传播特 ( 2 - 2 7 ) 2 径向应变的相位调制对于轴向对称的径向应变，相移和径向应变 、岛的关系 妒啡 嚎援 7 12 ( 即酬l _ 吉嘲：鹏 ( 2 _ 2 8 ) 式中，口为光纤芯半径；粤为传播常数应变因子。 3 光弹效应的相位调制在光纤中，光的传播是沿横向偏振，其折射率的 变化为式( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 造成的相位延迟1 1 6 1 7 1 8 1 9 ，2 叭。 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 乒= n k o l 6 3 一- l n 2 ( 日，+ 暑2 ) + 鼻2 岛】( 1 一寺2 墨2 ) ) 毛 ( 2 _ 2 9 ) z 2 2 2 光纤迈克尔逊干涉传感系统 光纤迈克尔逊干涉传感系统原理图，如下图2 2 所示。从半导体激光器发 出的激光经过隔离器被2 x 2 耦合器分成两路光强几乎相等频率相同的光入射到 光纤，这样恰好满足了光发生干涉现象所需要的条件( 1 ) 光的频率相同；( 2 ) 两束 光的光强相差不大( 3 ) 光波有相同的振动方向。在图示的情况下，光从光纤的末 端端面反射回来并经耦合器输出到探测器。如果外界信号s ( t ) 作用于信号臂和 参考臂，则光在其中的传输的路径的长度也会发生相应的变化，这样 图2 2 光纤迈克尔逊干涉传感系统原理图 就会产生光程差，从而在光纤耦合器中发生光的迈克尔逊干涉现象。这时如果 接上一个光电探测器将光信号转化为电信号我们就可以得到一个类似正弦的信 号，亮的条纹对应高电压，暗的对应零，随着外界信号的改变，从而导致光电 探测器输出的信号也发生相应的变化，这样就可以建立被测量的外界信号( 比如 温度，应变等) 于输出信号的之间的关系，从而得到被测量的信息。 光纤迈克尔逊干涉传感系统具有很高的灵敏度。下面就光纤迈克尔逊干涉 传感系统的灵敏度作一简要分析。 迈克尔逊是双光束产生干涉，设矢量e 、丘分别表示双光束的电场强度， 且振幅相等、方向相同，那么光强，与矢量e 、丘的和的平方成正比，即io c e 2 ； 当两矢量间的时间和空间的相移为零时，它们的矢量和达到最大，这就是说， 用探测器接受到的光最强。如果干涉系统光路中，由于外界因数使一条光路的 长度发生变化或折射率发生变化，光强，与相移的变化关系为 f 2 e 2 = e 2 i + e 2 2 + 2 五岛c o s a 矿= 半( 1 + c o s a # )( 2 3 0 ) 鹫 日 南京航空航天大学硕士学位论文 式中，i e , | 1 e ：j = 陋。j 2 ，其关系曲线如图2 3 所示。这就是说，当西从0 增 加到万时，光强，按余弦变化，从最大值下降到零；当矽从石增加到2 x 时， 从零变到最大值。 对于纯弯 梁这样的试 件，可以分别 将参考臂和测 量臂都贴在待 测试件的正反 两面，也可以 选择只将测量 臂贴在试件上 面，而对参考 臂不贴的方 j _ q 关系曲线 法。当外力作用于试件上，试件产生应变，在前种粘贴方式下参考臂和测量臂 在应变的作用下都随着试件发生变化，一个是正向的变化，另外个则是相应 的反向变化，这样就产生了一个比较大的光程差，从而可以产生个比较明显 的光的干涉现象。后者由于是只有一根测量臂感受”到了试件的形变，这样的 话与参考臂之间产生的光程差也只有前者的一半，可能会导致干涉现象不是很 明显1 2 2 ，2 3 0 4 1 。 在实际的使用中，从参考臂和测量臂反射回来的光通过耦合器，由于这样 的两束光恰好满足光发生干涉的条件，于是在耦合器中这两束光将发生迈克尔 逊干涉现象。这样一部分干涉光入射到光电探测器，而光探测器可以实现光信 号到电信号的转换，从而得到在后端比较容易进一步处理的信号：而与此同时， 还会有一部分干涉光，如果不加控制将返回到半导体激光源，这样的话返回到 激光源的光会导致激光源工作不稳定，输出的激光也会不稳定，甚至会导致光 源发生振荡，导致输出的激光也发生振荡，这样就导致干涉现象不能正常的发 生。为了防止返回的光通过勰合器进入到激光源，产生不良影响，在半导体激 光源的后面接了一个光隔离器，这样，从耦合器返回的光将不会进入激光源， 从而保证了半导体激光源输出的是稳定的激光。 ，蚴 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 在本系统中两束相干光是从测量臂和参考臂反射回来的光，但是由于光纤 端面的反射率在通常情况下只有百分之三左右，如果在端面切的不好的情况下 会更少，这样的话光电探测器接收到的光就会很微弱，从而导致光电探测器输 出的信号就会很弱，这样很容易淹没在噪声里，很难区分。在这套系统中，我 们经过试验采集到的信号其电压幅值大约为2 0 0 毫伏，波形类似正弦，但是由 于噪声的存在信号的波形并不是很理想，如果仅仅是在后端采用放大电路将其 放大的话，那么在信号被放大的同时噪声也被放大了，效果不是很好。从根本 上而言，这是由于从端面返回的光太少，激光器的正常工作的时候其功率只有 o 8 毫瓦左右，如果光纤端面切的很平整，且不计光在光纤中损耗的理想情况下， 只有百分之三的光功率返回，并且被光电探测器接收得到。如果要从根本上提 高信号的质量，必须提高返回的光功率，也就是必须要增加光纤端面的反射率， 因而我们可以采用在光纤端面镀一层反射膜盯i 0 2 ) 的方法来提高光纤端面的反 图2 4 端面镀膜前后采集到的波形 射率，在通常情况下是通过交变脉冲平面磁控系统镀上多层t i 0 2 膜，这样光纤 端面的反射率可以达到百分之五十左右，但是这种方法成本很高，工艺复杂， 不适合学生试验这种重复度高的场合，因此在实际过程中我们是采用光纤表面 镀膜溶液实现对光纤端面镀膜，这样只要将光纤的端面切平整之后，将光纤的 端面浸没在这种溶液中一段时间之后，就可以在光纤的端面上形成一层反射膜， 这种方法简化了光纤镀膜的工艺和过程，容易学生操作。经过镀膜后的光纤端 面的反射率将大大的增加，这样由光纤端面反射回来的干涉光会大大的增加2 列， 从而加大了迈克尔逊干涉现象的效果，这样就可以得到信噪比相对较高的信号， 这就给后端信号的处理带来了方便。图2 4 就是光纤端面镀膜前后采集到信号 的波形，明显可看到镀膜的效果。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 2 3 光路系统的电路设计 半导体激光源和高灵敏度的半导体光电探测器p i n 管工作的稳定性很大程 度上还依赖于工作电路的设计，在本系统中我们采用的器件是武汉邮科院的 l d m 3 s 8 6 无制冷激光 器和p f t 9 1 高灵敏度 接收组件以及耦合器 和光隔离器。 2 _ 3 1 激光源驱动电路器： l d m 3 s 8 6 是适用 于干线通信、中继网、 接入网以及光传感系 统的稳定激光光，在正 常工作的时候输出波 长在1 3 1 0 纳米的激光 其输出的光功率为 0 。l 2 毫瓦，在这个 系列的激光源器件采 用高可靠的r w g 激光 管管芯，这样可以使得 其工作更稳定，输出的 激光的频率和波长也 更加的稳定。为了便于 在电路板上焊接， l d m 3 s 8 6 系列的激光 源器件适采用的是常 ： 图2 5 激光源驱动电路原理图 见的1 4 脚双列直插封装，在激光器的尾端接了一定长度的尾纤，这样就可以非 常容易的用单模光纤通过法兰盘将激光器输出光耦合进入我们需要的系统中。 参考半导体激光器l d m 3 s 8 6 的参数，激光器的正常工作需要一个恒流源， 提供2 0 - 4 0 毫安左右的恒定电流，激光源驱动电路的原理图如图2 5 所示。 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 2 3 2 光探测器驱动电路 在本系统中 采用了p f t 9 1 - 高灵敏度接收组 件作为光电探测 器来接收从参考 臂及测量臂反射 回来的干涉光， 光电探测器作用 是将光信号转换 为电信号，这种 系列的光电探测 器是属于 i n g a a s 平面结 构p i n 探测器在 图2 6 光探测器驱动电路 其内部采用了固定跨阻抗结构以及混合集成电路，在正常工作时可以感受波长 在11 0 0 1 6 5 0 纳米的光【2 6 】，在器件的封装设计上采用了标准的1 4 脚的双列直 插封装，这样根容易将其焊接在自己设计的印刷电路板上。p f t 9 1 其工作电路 如图2 6 所示。 2 4 本章小结 在本章中从理论上分析光的干涉原理，指出了两束光发生干涉的条件以及 干涉条纹的可见度以及影响因素等，并且给出了光纤迈克尔逊干涉系统的原理 图，指出了发生迈克尔逊干涉的条件和组成迈克尔逊干涉系统的必要因素。阐 述了如何提高信噪比的方法。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章系统硬件电路设计 在第二章中介绍了光纤迈克尔逊干涉应变测量系统的光路原理以及实现， 在本章中将对由光电探测器输出的信号进行整形、采集、传输以及根据信号的 特征判定应变的方向。为了实现这样的目标，我们采用了美国德州仪器( t i ) 公司 的低功耗微控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 以及a l t e r a 公司的c p l d 等器件实现相应的硬 件电路。本章具体阐述本系统硬件电路的设计。 3 1 硬件的整体方案 系统的硬件设计组成框图如图 3 1 所示，从光电探测器输出的信 号经过信号调理电路对其进行放 大整形后，一路进入判向电路对信 号进行相应的处理，从而得出应变 的方向并将信号送入可逆计数单 元对信号进行计数，这一部分的工 作主要在c p l d 中完成，将处理后 的结果传输给低功耗微控制器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 ：一路进入低功耗微 控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 ， m s p 4 3 0 f 1 4 9 中有丰富的内部资 源，在其内部集成了a d 以及 u s a r t 等功能模块，这样方便我 们对光电探测器输出的信号进行 a d 转换后，与c p l d 的信号共同 通过m s p 4 3 0 f 1 4 9 的串口传输到电 l 光电探测器i t 信号调理电路h判向电路 ii i可逆计数单元 a dm s p 4 3 0 f 1 4 9 ， ， 电平转换电路 ： p c 图3 1 系统方框图 脑，利用上位机程序将信号还原显示出信号的原始的波形，将判向结果以及应 变的数值同时在电脑的屏幕上显示出来。下面将具体的介绍判向计数电路的设 计以及m s p 4 3 0 f 1 4 9 的电路设计。 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 3 2 判向电路设计 传统的电阻应变片测量试件的微应变的方法是将电阻应变片作为惠斯顿电 桥的一部分，贴在待测试件的表面上。这样当外界对试件施加作用力时，试件 的形状和长度将发生变化，根据欧姆定律，此时电阻应变片的阻值也随之发生 相应的变化，这样电桥的输出电压与外界施加的外力的大小以及试件微应变的 大小成线性的比例关系，除此之外电阻应变片的电阻值的变化随着外界作用力 的不同可以变大也可能变小，这样导致电桥的输出既可能是正也可能是负，这 样就很容易根据电压的正负来判定应变的方向，也就是试件到底是被拉伸还是 被压缩。相对于传统的电阻应变片应变测试方法，采用光纤迈克尔逊干涉系统 测量试件的微应变则很难从信号本身的正负来得出应变的方向，这就必须根据 信号的特点设计一套简单可行且精确度高的判向电路。判向电路的设计以及对 脉冲的计数是本系统的核心内 容，其主要涉及设计电路将类似 于正弦的信号转化为方波信号， 通过对产生的方波信号处理得到 应变的方向也就是是拉伸应变还 是弯曲应变的同时对方波信号进 行计数，因为我们知道在应变不 同的情况下会导致光纤产生不同 的形变量，这样就会导致光程差 不同从而导致干涉条纹的数目也 不相同，这样对应产生的波峰不 一样多，可以通过对方波记数的 ：b 孑二陆 ：舻二风 二畦i i i i 。二瞳 f 止簪仆) 右序 田3 2 输出电压波形圈 方法，记录在施加应交的过程中产生的方波波峰的个数，根据与传统的电阻应 变片测量微应变的数值进行比较和校准，得到相应的微应变的数值大小。这样就 完整的得到了微应变的所有的信息：大小和方向。因此在本系统中采用了光纤 的四倍频判向电路，对信号进行方向判定处理后，用可逆计数器对处理后的脉 冲信号进行计数，比如如果是拉力产生的应变就对其进行增计数，反之，如果 是压力产生的应变，就对其进行减计数，通过这种方式就可以实现应变方向判 定以及大小的测量。为了使电路元件相对比较少，将判向电路和计数电路都集 成在一块c p l d 芯片中。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 1 判向电路基本原理 光纤迈克尔逊干涉仪输出的信号是明暗相间的光条纹，那么在光电探测器 的作用下变成了类似于正( 余) 弦的电信号，我们可以假设试件在正向拉伸力的 作用下，由光电探测器输出的信号是正弦的话，那么在反向压缩力的作用下输 出的就是余弦信号。假设v a 是光探测器输出的信号经过整形后所得到的对应 开关电压而v b 是将v a 移相9 0 度之后所得到的对应开关电压。当压缩时，就 形成了图3 2 ( a ) 中的电流，电压波形，此时v b 比v a 相位领先9 0 度。当拉伸 时，则形成了图3 2 ( b ) 中的电流、电压波形，此时v a 比v b 位相领先9 0 度。 利用判向电路。可以根据v a 与v b 两个形哪个领先9 0 度，从而决定位置 计数器该做加法还是减法计数，根据计数结果就可以确定是压缩还是拉伸。 为了提高测距精度，我们将判向电 路设计为如图3 3 所示的形式。图 中左方有三个输入信号：v a 。v b ，和 f o ，其中v a 是光电探测器输出的 应变信号整形后得到的结果，而 v b 是将v a 移相9 0 度所得到的信( 号，经过整形后的电压信号。 f o ( 1 m h z ) 是d 触发器( 7 4 7 4 组件) 接受数据用的时钟信号，这个时钟 信号来源于将低功耗微控制器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 电路的高频晶振 ( 8 m h z ) 进行分频后得到的信号。d 触发器的输出信号送到单稳7 4 1 2 3 的上跳沿触发端b 以及具有集电 雷3 3 四倍频判向电路 极开路输出端的与非门( 7 4 0 3 组件) 各个输入端。 图3 2 ( a ) 反映的是v b 比v a 领先9 0 度的情况。而图3 2 ( b ) 反映的是v a 比 v b 领先9 0 度的情况。 由于f o 的频率远高于v a 及v b 波形变化的频率，因而可以认为图3 3 中， d 触发器的输出端q 能跟踪数据输入端d 的变化，即a 1 的电平变化与v a 相同， a 3 的电平变化与v b 相同，而a 2 与a 1 相位相反，a 4 与a 3 相反。 由于d 触发器7 4 7 4 的输出端接单稳7 4 1 2 3 的上跳沿触发端，所以只有当 1 9 基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计 a l 端电平上跳时，b l 端才产生一个短脉冲，同理b 端决定于a 2 端的上升沿， b 3 端决定于a 3 端，b 4 端决定于a 4 端。 由于图3 3 中，组件7 4 0 3 为集电极开路输出的与i i ：1 1 ，所以c 1 点的逻辑 电平为各个与非门输出的线与。故c 1 点的逻辑电平表达式为： c l = b 1 a 4 b 3 一a l ：b 4 a 2 b 2 - a 3 = b l a 4 + 6 3 口1 + 6 4 口2 + 6 2 - 口3 ( 3 1 ) 首先分析试件被压缩的情况，如图3 2 ( a ) 中所示，在第一象限，由于a 4 = 0 而封锁了b l 脉冲( c 1 表达式中的第一项) 。在第二象限，由于a 2 = 0 而封锁了b 4 脉冲( c 1 表