（光学工程专业论文）光纤加速度传感系统研究.pdf

浙江人学硕j j 论文 摘要 y 5 8 1 3 87 本课题研究的是一种基于泰曼格林( t - g ) 双光束干涉仪原理的光纤加速度 计，系统主要包括：中心波长为1 3 lum 的l d 相干光源、起传感作用的光纤柔性 盘、光探测器( p i n ) 、相位调制用的压电陶瓷以及信号处理系统。研制的全光纤 加速度计具有抗电磁干扰、测量频率范围宽，检测灵敏度高等优点。 本论文首先介绍了光纤加速度计国内外的发展状况，指出利用光纤传感是当今 加速度计的研究热点，并对几种不同的光纤加速度测量原理进行了比较。 第二章中从不同方面详细介绍了相位调制型光纤加速度计的基础理论，并由此 提出了一种新型的加速度计测量方案，该方案通过在柔性盘的上下侧面粘上干涉 仪双臂光纤形成推挽式系统，可以有效地消除光纤干涉仪易受温度等环境影响的 缺点，并由于采用推挽方案，使灵敏度比采用单臂测量提高了一倍。 第三章第四章中具体对加速度系统进行了详尽的分析，包括光学系统中各参数 的设计，光电器件的选择，信号噪声控制等内容。实验装置和结果在论文后两章 中给出，以真实的数据来验证理论设计，并对取得的实验数据进行处理和分析 针对问题提出相应的改进措施，指出今后的研究方向。 关键词：单模光纤，加速度，传感测量，柔性盘 浙江人学顾i ：论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s c r i b e saa l lf i b e ro p t i ca c c e l e r o m e t e rb a s e do nt - gd o u b l eb e a m i n t e r f e r o m e t e r , t h ew h o l es y s t e mi n c l u d eac o h e r e n ts o u r c ew h o s ew a v e l e n g t hi s13 1o n m af l e x u r a lo p t i cf i b e rd i s ka c ta ss e n s i n gu n i t ，p h o t o d e t e c t o r , p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca c ta s a p h a s e m o d u l a t o ra n ds i g n a l p r o c e s s i n g c i r c u i t 刀坤a l lf i b e r o p t i ca c c e l e r o m e t e r d e s c r i b e di nt h ep a p e rh a sm a n yd e s i r a b l ee n g i n e e r i n gf e a t u r e sw h i c hi n c l u d e ：b r o a d f r e q u e n c yr e s p o n s e ；h i g hs e n s i t i v i t yt om e a s u r a n d s ；a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n d s i n a i ls i z e a tt h ef i r s t p a r t o f t h i s t h e s i s ，t h eg l o b a ld e v e l o p m e n t o ft h e o p t i c f i b e r a c c e l e r o m e t e ri se x p l a i n e d i ti sp r o v e dt h a to p t i cf i b e rs e n s o rh a sb e e l lah o ts t u d yf o c u s i n m a n y s c i e n t i s t s s e y e s ，a n d d i f f e r e n tm e t h o d so fo p t i cf i b e rs e n s o rh a v eb e e n d i s c u s s e da n dc o m p a r e d b a s e dt h e o r yo ft h ef i b e ro p t i ca c c e l e r o m e t e ri sp r e s e n t e di nd e t a i l s ，a c c o r d i n gt o t h et h ep r i n c i p l eo fp h a s em o d u l a t i o n an e w e x p e r i m e n t a ls c h e m ei sd e s c r i b e d i nt h i s s c h e m e ，ac e n t e rs u p p o r t e df l e x u r a ld i s kd e s i g ni sc h o s e na st h es e n s i n gm e c h a n i s m ，t h e f i b e ro ft h ei n t e r f e r o m e t e ri sa t t a c h e do i le a c hs i d eo ft h ef l e x u r a ld i s k s u c hd e s i g ni s h e l p f u lt ot h ed e s i r a b l ef e a t u r e ss u c ha sh i g ha c c e l e r a t i o ns e n s i t i v i t ya n di m m u n i t y t o e x t r a n e o u sm e a s u r a n d s ， i nt h ef o l l o w i n g p a r t so f t h i sp a p e r , m o r es p e c i f i ca n a l y s i sh a sb e e np r e s e n t e d a b o u t h o wt od e s i g nt h ep a r a m e t e ro ft h eo p t i c a ls y s t e m ，h o wt oc h o o s et h ep h o t o c o n d u c t i n g d e v i c ea n dh o wt oc o n t r o lt h es i g n a la n dn o i s e t h ee q u i p m e n to ft h ee x p e r i m e n ta r ed e s c r i b e di nt h el a s tp a r t so ft h i sp a p e r ，a n d s o m eu s e f u lr e s u l t sa r ea b t a i n e d k e y w o r d s ：f i b e r o p t i cs e n s o r ；t l e x u r a ld i s k ；a c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n t - h 浙江大学顾1 1 学位论文 第一章绪论 1 1 光纤加速度计研究背景及现状 8 0 年代初开始，一些发达国家丌始将激光和光纤传感器技术用于惯性导航系统 的另一个重要敏感元件加速度计，开始出现了若干方案的激光加速度计，由于 激光加速度计的工艺复杂、成本高，加上光纤传感技术的迅速崛起，因此近年来国 内外均将注意力集中于研制光纤加速度计上。可以期望，光纤加速度计将与光纤陀 螺一起构成以光纤传感技术为主的惯性导航系统。加速度的测量在许多领域都有 广泛的应用，尤其是近年来由于新技术的发展，测量加速度的要求在精度和数量方 面都在急剧增加。例如：在航空航天领域可用于导弹的制导、飞机的导航、人造卫 星的姿态控制和国际空间站低频加速度的测量等，在汽车工业，为了确定汽车本身 的缓冲性能，主要用于悬浮系统，预刹车系统、牵引系统、驾驶系统和安全系统1 2 “， 在电厂，可实现对大型电器设备的遥测，如发动机、变压器等内部机组的测量建 筑、桥梁、发射塔、火箭等，需要较好的重力因子和较少的负载材料：复杂而灵活 的部件要求不同系统间的机械作用相互隔离；我们的生活环境与桥梁毁坏、电梯倒 塌和多种灾难有关，所有这些都需要精密的低频振动和加速度的环境信息。 传统加速度计采用机电方法，如石英挠性加速度计，测量质量块的惯性力或位 移，光纤加速度计则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。后者与日者相 比，不但具有抗电磁干扰的无与伦比的独特优点，而且体积小质量轻，动态范围宽， 精度高，能在恶劣环境下工作，因此倍受国家军事与商业领域的青睐，各种可实用 的光纤加速度传感器不断涌现。 目前研制的光纤加速度传感器在原理上主要有光强调制型与相位调制型两大 类。光强调制型有透射式，反射式，偏振式等。相位调制型有m i c h e l s o n 干涉式， m a c h z e n d e r 干涉式和f p 干涉式等。 1 、光强调制型 透射型光强调制型光纤加速度传感器大都为非本征型( n f f ) 。其结构多为带有 浙江人学坝j j 学位论文 光源的发射光纤与敏感质量块相固定，而连接探测器的接收光纤与被测体相固接。 当被测体产生加速运动时，发射光纤与接收光纤即产生相对位移，接收光纤接收到 的光强即受被测加速度调制，赭此测量出加速度值。另种可消除光源波动影响的 结构，其特点是将一根发射光纤固定在安有敏感质量块的悬臂梁上，两根接收光纤 并置于壳体上。当加速度等于零时，二接收光纤接收的光强相等，即使在光源波动 的情况下，输出亦为零，当有加速度时，二接收光纤接收的光强一个增加而另一个 减少，输出二者之差。有的传感器安有光透过率随质量块的惯性力而变化的透明体 ( 光弹性材料，如硅酸玻璃、石英玻璃等) ，光纤和透明体分别与壳体固接，质量 块和透明体紧贴在一起。当质量块的惯性力作用在透明体上时，将导致介质发生双 折射( 光弹效应) ，从而导致透过率变化，藉以检测加速度值。 反射型光纤加速度传感器也属于非本征型( n f f ) ，在结构上除安有发射与接收 光纤外，还安有反射镜，以提高光的反射效率。反射镜和光纤分别置于壳体和质量 块上。光纤轴线垂直于反射面安置的称为萨镜式，光纤轴线不垂直于反射面安置的 称为斜镜式。其结构一般利用1 4 节距的自聚焦透镜( g r i n ) 的一端镀反射膜，其 上套敏感质量块，并由弹性膜支撑于壳体上。在自聚焦透镜的另一端相对的壳体上 并置发射光纤和接收光纤。如采用两根接收光纤，用差动型处理接收信号，将减少 光源波动的影响，大大提高抗干扰能力。a s o r e f 等人1 9 8 4 年提出的斜镜式光纤加 速度传感器。 采加g r i n 透镜的光纤加速度计 其结构为( 如图1 1 ) 将反射镜斜置在安有质量块的悬臂梁端部，两根接收光纤和 发射光纤一起耦合到g r i n 中并固定在壳体上。当壳体产生加速度时，反射镜的倾 角与加速度成正比变化，接收光纤接收到的光强也随之线形增加或减少，探测分辨 率可达2 4ug ，探头体积可做到5 0 1 0 ( r a m ) 。由于采用差动接收，工作稳定，动 念范围大。 偏振式光强调制光纤传感器为本征型( f f ) 传感器，光纤本身直接感知质量块 的惯性力而产生偏振态变化，从而导致输出光强的变化，籍以测量加速度。1 9 9 0 年 t a y l o r 等人提出了一种结构，将两质量块分置于弹性圆柱两端，弹性圆柱固定在壳 体上，弹性圆柱的两端分别相向绕以椭圆芯双折射光纤。当柱体产生轴向加速度运 动时，在质量块惯性力的作用下一根光纤被拉伸，另一根光纤被压缩，致使两根光 纤的双折射率产生等量反向变化。光信号检偏后的光强即反映加速度的大小。 2 、相位调制型 相位调制型光纤加速度传感器均属于本征型( f f ) ，实质是使传感光纤中通过 的光产生相位变化，相位变化量即代表被测加速度值。 连接 顶暨块 铝墙帽 质量块h 传感嚣 套筒 图1 2顺变柱体型全光纤加速度检波器的结构伺幽 有报道的一种顺变柱体型全光纤加速度检波器【5 l ，其结构如图1 2 - 所示。该元 件包含两个顺变柱体和一个质量块，顺变柱体为硫化硅橡胶材料，每一块上都缠有 单模光纤，作为迈克尔逊干涉仪的一个臂。这个系统相当于一个共振频率为 ，：| ：( 2 k 。肘) 托2 7 r 的阻尼简谐振荡器，顺变柱体的作用是把外壳与质量块问的相 对径向运动转变为光纤张力。当敏感元件受到外界加速度作用时，就有相同的加速 度作用在质量块上，迫使一顺变柱体缩短，另一顺变柱体拉长，形成了推挽式结构。 推挽式结构是检波器灵敏度高的原因之一，采用迈克尔逊干涉仪结构使该检波器的 灵敏度得到进一步提高，因为光通过每一个传感器线圈两次。推挽式结构还可以用 来消除温度和压力变化对传感器的影响。如果两顺变柱体相同，那么这种传感器对 浙江人学蝴i ：学位论文 横向振动的灵敏度理论上为零。 1 9 8 9 年a s g e r g e s 等人又提出了一种高灵敏度光纤加速度传感器原理结构。单 模光纤端面镀半反膜，既做发射光纤又做接收光纤，固定在壳体上。安装在与壳体 相固接的弹性膜片上的质量块上贴有球面反射镜，与光纤端面的半反膜构成半球腔 f p 空问干涉系统。当壳体作加速运动时，质量块的惯性力作用于弹性膜片腔距 随之改变，光波相位差与被测加速度成线形关系。测量分辨率可达5 “g 。 19 9 2 年l g a r d n e r 等人设计了一种推挽式m i c h e l s o n 干涉型光纤加速度传感器， 其结构为利用相等的两根光纤构成干涉仪的的两个臂，并分别绕贴在两个半径相等 的扰性盘的内表面。两圆盘中心固定质量块，周边与壳体相固接。当有加速度是时， 两圆盘受质量块惯性力的作用产生形变，两臂传感光纤个伸长另一个等量缩短， 相位差18 0 。，产生推挽效应，可消除光源波动和环境温度变化的影响。 图1 3m i c h e l s o n 干涉仪推挽式光纤加速度计结构幽 光 圈1 4m i e h e l s o n 干涉仪推挽式光纤加速度计光路图 最近，有报导利用光纤布喇格光栅元件来检测加速度，并用干涉测量波长位移 检测来表征实验换能器的性能，以获得与加速度成比例的输出信号州a 此系统由建 立在用一块硬底板支持的一层柔顺材料上的质量构成。由于质量运动的结果，沿柔 顺层水平中心轴埋罱的光纤布喇格光栅元件将以应变的形式进行振动，该应变由柔 顺材料的泊松比和刚度、质量的大小和光纤与柔顺材料之间的应变耦合效率所确 定。 根据光纤布喇格光栅元件的众所周知的波长应变关系和换能器加速度( a ) 与 浙江人学顾f j 学位论文 质量位移( a y ) 之间的关系，光纤布喇格光栅的波长位移响应能用如下的表达式 表示： 五= f 叩( 詈) n 其中，为一常数，表示光栅的应变对波长关系的响应度，n 为表示换能器效率 的常数。 1 2 本课题的主要任务 本次课题的研究设计了类似于上述推挽式m i c h e l s o n 干涉型光纤加速度计，在 结构上采用中心硬性支撑，扰性盘的变形仅由光纤盘( 包括光纤及环氧树脂胶) 的 本身质量在加速度作用下的惯性力产生因此在结构上有可能获得更小型更易封装 的加速度传感器。 本课题需要完成的任务如下： 1 提出完成光纤加速度计构建的整体方案 a 激光光源的选择 b 光纤柔性盘灵敏度结构性能设计 c 系统的偏振态分析并提出解决方案 2 实验结果分析 塑垩查兰坚! ! 兰竺堡兰 参考文献 【1 】l e f e r r e ，h c ，t h ef i b e ro p t i cg y r o s c o p e ：a n o t h e ro p t i c a lr e c o l u t i o ni nt h ei n e r t i a l b u s i n e s s , t e c h n i c a ld i g e s ts e r i e s ，v o l2 ，p a r ti , p p 3 8 4 ，( 1 9 8 8 ) 【2 h a m a c h e rh ，r i c h t e rhe ，d r e e ss ，s y s t e mt om e a s u r ea b s o l u t el o wf r e q u e n c y a c c e l e r a t i o no nt h ei n t e r n a t i o n a ls p a c es t a t i o n c ，i e e ei n s t r u m e n t a t i o na n dm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yc o n f e r e n c e ，1 9 9 9 ，( 1 ) ：2 4 9 2 5 3 3 b e r t u o lb ，s e n s o r sa sk e yc o m p o n e n t sf o ra u t o m o t i v es y s t e m s j ，s e n s o r sa n d a c t u a t o r sa ，1 9 9 1 ，( 5 3 ) ：2 5 2 7 【4 t a b e r k o i f , a d k e r s e y , e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o no f a f i b e r b r a g gg r a t i n g a c c e l e r o m e t e r , i e e ep h o t o n i c st e e h i n o l o g yl e n e r s ，v o l ，8 n o 1 2 ，1 9 9 6 ，1 6 7 7 1 6 7 9 【5 1 7 - 桂兰，刘振富，陈才和等，顺变柱体型全光纤加速度检波器敏感元件，光子学 报，v 0 1 2 9 ( z 1 ) ，2 0 0 0 ，1 7 1 1 7 4 - 6 - 浙江人学蛳j j 学位论义 第二章光纤加速度计的基础理论 2 1 光纤传感器基础 光导纤维最早在光学行业中用于传光及传象。在2 0 世纪7 0 年代初生产出低损 光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。但是光导纤维不仅可以作为光波 的传播媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量( 振幅、相位、偏振态、 波长等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位移、转动一) 的作用而侧 接或直接的发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。即为光纤传 感器的基本原理，如图2 1 所示。 2 1 1 光纤传感器定义及特点 光纤传感器与传统的各类传感器相比，有独特的优点。光纤本身用作基本传感 器，具有高灵敏度，抗电磁干扰，耐腐蚀，防爆及不干扰被测场等特点：光纤作为 传感信号的传送系统，与传统的金属线路相比，具有抗电磁场和地球环流的干扰、 可靠性高、安全及可长距离传送等优点；并且便于与计算机连接、与光纤传输系统 组成遥测网络；加之光纤传感器结构简单、体积小、重量轻，因此，有着广泛的应 用潜力。 光纤一光波传橘的媒质 。1 。r 。1 。_ ， ! 。一 入射光波! 入射光波的特征参域： ， 山射光波 广、l 。振幅、相位、偏振态、效率等j 匕二二： 外界因素：、 温度、压力、电场、 、 位移缚7 圈2 1光纤传感原理示意图 光纤传感器的工作原理，可以归纳为这样一个过程：通过置于光路中的光调制 器，将一个携带着待测信息( 被测对象) 的信号叠加到载波上，承载信息的调制光 波在光纤中传输，最后由光探测系统解调，经信号处理后检测出所需要的待测信号。 浙江人学硕i ：学位论文 调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包 括：光纤的折射率、传播常数、光波的强度( 振幅) 、位相、频率、偏振以及波长 等。 引起光纤的传输参数或光信号自身发生变化的原因，直接或间接的与各种物理 效应有关，表2 1 中列出了常用的各种物理效应与待测量之间的关系。 表2 - 1 传感器件型光纤传感器用的主要物理效应与探测量 ( a ) 传输参数的变化( b ) 光本身的变化 物理效应探测量物理效应探测量 光散射效应失真、振动、音响塞格奈克效应旋转率( 角速度) 光弹性效应 压力、温度、音响、 多普勒效应速度 失真、流速、加速 度 法拉第效应磁场、电流分光吸收效应化学量 光致变色效应光放射性光散射效应 浓度浊度 本课题讨论的光纤传感器是利用光纤的应变效应和光弹效应来获得探测量的 信息，并且引起光纤中光波相位的变化，因此在介绍传感器原理时仅针对相位调制 型光纤传感器进行具体介绍。 2 1 2 相位调制型光纤传感器 相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，在待测场能 量的作用下，使光纤中传播的光波发生相位变化，再以干涉测量技术把相位变化变 换为振幅变化，实现对待测物理量的检测。 - e 由于采用了干涉技术，使相位调制型 光纤传感器对环境的变化具有极高的灵敏度，能够检测微弱信号及信号电平的微小 变化。 目前常用的相位调制型光纤干涉仪有马赫哲得( m a c h z e h n d e r ) 光纤干涉仪、 赛格奈克( s a 印a e ) 干涉仪、法布里泊罗( f a b r y - p e m t ) 光纤干涉仪和迈克尔逊 f m i c h e l s o n l 干涉仪等。本课题研究的泰曼格林干涉仪是迈克尔逊干涉仪的一种变型， 一一塑坚尘堂塑! ：兰些堡苎 因此这里仅就其进行分析。 图2 2 光纤m i c h e l s o n 干涉仪原理图 射面 设干涉仪出射两相干光的相位差为：妒= 2 k ， 2 1 式中：t 旷一光在空气中的传播常数：2 厶一两相干光的光程差。 光纤在外界因素作用下( 本课题中外界因素可以认为由柔性盘本身的惯性力产 生的压力) ，相位的变化可以写成如下形式【1 1 ： 妒= 肚+ 诅= 耻( 等) + 三( 等 ”+ 三( 嚣 - 曲 ： 是光纤的传播常数：是光纤的长度；，7 是光纤材料的折射率。 式中第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟( 即应变效应) ，第二项表示感应 折射率变化引起的相位延迟( 即光弹效应) ；第三项则表示光纤的直径改变( d ) 所产生的相位延迟( 对应于泊松效应) 。一般情况下，直径改变引起的相移量比前 面两项要小2 - 3 个数量级，可以忽略不计。 同时需要给出z 儿和n 随压力变化的关系。当光纤干涉仪为横向受压时，由 式2 2 的结果可求出相移的相对变化“1 。由弹性力学的原理可知。对于各向同性的 材料，材料折射率的变化与其应变r ，的关系为 丑 岛 屿 觚 b 哦 且一玩 岛一岛 马一岛 e 且 风 只。只：只： 月2e 1e 2 舅2片2日l 0 00 00 0 o 00 毛 岛 岛 0 0 0 2 3 0 o o 0 o 厶 0 0 o o 匕0 0 o 0 o 0 浙江人学顺i ：学位论文 只。：当( 只。一只：) 式中，b l ：一i 门? 日= 一 a n 所 一般情况下，可取近似啊“r o ，所以出上式得 她= 一妒) 3 叫= 一三( 矿) 3 ( 即m ：岛毛) 同理有 ”：= 一圭( n 。) 3 ( 日：+ 只，q + 鼻：岛) n 3”。) 3 ( 弓：毛+ e ：巳+ 舅。毛) 2 4 2 5 2 6 且有b 4 = b 5 = b 6 = o 在考虑到：卢* n k o ，a p m ，l z 并略去d 引起的相移变化，则2 2 式可改写为： 口= , f l l 占3 + l k o a n , ( 仁l ，2 ，3 ) 2 7 式中r ，r ：是光纤的横向应变；r 。= 饥是光纤的纵向应变；只，只是光纤材料 的弹光系数；i 7 光纤材料的折射率。知道光纤受压后的应交情况，即可由上式求出 光纤干涉仪探测臂相对的相移变化。 本论文在第三章第一节中根据所设计加速度计的特殊结构，对光纤的受压情况 做了详细的计算和介绍，并根据干涉仪测量臂在压力作用下的应变大小，而得到对 系统灵敏度的计算。 2 2 全光纤加速度计系统 在绪论中己经介绍了很多种目前广泛研究的光纤加速度计，本课题研究的是一 种基于泰曼格林( t g ) 双光束干涉仪原理的光纤加速度计，泰曼一格林干涉仪实质 上是迈克尔逊干涉仪的一种变型。 2 2 1 系统工作原理 图2 2 为采用柔性盘的光纤加速度计系统结构示意图。整个系统采用全光纤t g 浙江大学颂：k 学位论文 干涉的原理来完成对光纤中微小光程变化的测量，其构成主要包括：中心波长为1 3 l um 的l d 相干光源、起传感作用的光纤柔性盘、光探测器( p i n ) 、相位调制用的 压电陶瓷以及信号处理系统。信号处理中采用相位跟踪零差检测技术，实现待测信 号的精确检测和误差信号的补偿。 图2 2 光纤加速度计系统结构示意幽 l d 激光器输出恒定功率的激光，出2 2 分束器的一端输入，可以认为分束器 的输出端分光比为1 ：1 ，即相等功率的激光分别输入黏附于柔性盘上下两侧的干涉 仪两臂，两束光感受不同的传感信号后携带不同的信号变化，然后通过端面反射膜 又反射回分束器，由分束器输出端的探测器接收。如果当两个反射膜到分束器之间 的光程差小于激光器的相干长度时，到达光探测器的两束光则产生干涉。干涉光强 可有下式确定： 1 m ) = 去，o ( 1 + a c o s a p ) 2 8 其中两相干光的相位差为：妒= 2 k o a l 式中 旷一光在空气中的传播常数： 2 卜两相干光的光程差。 测量臂 光纤t g 干涉仪的两根测量和参考光纤的端 幽2 3 柔性盘： i 作原理图 浙江人学颁：学位论文 有反射膜，分别取等长光纤紧密缠绕黏附于柔性盘的上下表面，盘的中心有硬性支 撑。惯性力的作用将引起柔性盘弯曲形变，如图2 3 中的虚线所示。形变使光纤盘 产生一定量的应力，盘的上表面( 测量臂) 产生拉的应力而下表面( 参考臂) 受压， 从而改变两臂间的光程差，上下表面产生的应力大小相等，而相位相差1 8 0 。，可 以通过后续电路检测其相移的变化。 采用这样差动式的结构是考虑到光纤对环境的变化极为敏感，迈克尔逊光纤干 涉仪的双臂构成传感器的相同周围媒质条件下的不同感应部分，可减少由于温度、 非待测扰动、介质折射率等其它环境因素而带来的误差与噪声。 2 2 2 加速度信号处理系统 干涉型光纤加速度传感器用于实际测量的主要问题之一是要解决信号漂移，为 了从技术上解决漂移问题，国内外学者对光纤传感器的信号检测与处理进行了广泛 的研究【7 嵋】。如：在参考光路引入补偿信号以解决由于光学结构的漂移对测量结果 的影响：在光纤干涉仪中引入自动控制系统，以参考信号为基准，加_ 以自动调整可 以达到完全平衡等技术，以便使传感器达到实用化程度。 本项研究是在全光纤泰曼格林干涉系统的信号处理上，采用交流相位跟踪零差 检测技术( p t a c ) ，实现待测信号的精确检测和误差信号的补偿1 3 4 】。 如图2 2 1 所示激光器l d 发出的1 3 1 0n l t l 激光注入到了3 d b 分束器后分为两 路，一路为信号臂，一路为参考臂。信号光与参考光经直接镀在光纤端头上的全反 射膜反射后，按原路返回，在分束器中重新会合产生干涉。干涉光强“) 如2 8 式。式中： 如为输入到光纤干涉仪的总光强：a 为两相干光波的混合效率，它与光纤耦合 器的分束比和两相干光波的偏振态有关；a 庐为两干涉臂的相位差。 如图2 4 ，在此系统中，设待测加速度引起光纤中光波相位变化为s ( t ) ，振荡器 驱动相位调制器( p z t ) 使光纤产生的相位变化为b ( t ) ，反馈信号驱动相位调制器使光 纤产生的相位变化为a ( t ) ，光波频率为，由于参考臂和信号臂两臂不平衡及环境 干扰引起参考臂和信号臂的相位为t p r 和p ；，故可得两光波在参考臂和信号臂中的相 浙江人学硕【：学位论立 图2 4信号检测系统不意图 位差毋为： 妒= s ( f ) + 纯一诈一4 ( f ) 一8 ( t ) 2 9 则光电二极管( p i n ) 探测到的干涉信号v i 为： k = 口c o s s ( f ) + 破一拜一彳( f ) 一占( f ) 2 1 0 式中，v ，和v o 分别是经过光电转换后对应于干涉系统的输出信号光强和光纤 中传输光强的电信号。 企j ( f ) = 识s 访( ：h 巧) ， 一8 ( t ) = 一九s i n c o t ，氟- r 一一( ，) = 丸( ，) 则式2 1 0 可表示为： k ( f ) = k c 。s 陋s i nc o s t + 占) + 丸s i n f + 丸( f ) 2 1 1 忡) ：足啊矗( 破) + 嘻五( 蘸) c 0 b 吲呼+ 印 j o ( 杰) + 李五( 疙) 0 0 s 加卿孟识( f ) 1 1* ij “ “ 盯嘻k 胞) 血( 抽+ 1 ) ( 呼+ 2 ；| ( 屯) 如( 幼) 哪 o o s 吮( 。 李k m ) 血( 知+ 1 ) ( 呼+ 功 j o ( 丸) + 零( 氟) o o s 加v 劬肿) 般j o ( 蘸) + 参( 旃) o o s 知旧+ j 巨t ( 丸) s i l l ( 锄+ 1 ) 哪 血氟( 。 2 1 2 p 背审，“、县n 阶叨塞尔函数。匕式表明。干涉输出信号中除包含有直流和基频 渐江人学顾f j 学位论文 分量外，还有无穷多的高次谐波分量，其中涉及到与信号：同频的项为： 俅肛 弘脚哪胁怯2 z j 2 , l 舷酬刎枷 l l ，# 0j ， j j 螂阻2 k 峥肫脚+ 1 ) ( 妒回抖咖2 薹，j 2 , ( 咖嘲 l l ，咖j l * i j j 咖氟( f ) 下面就系统锁相分两种情况讨论： ( 1 ) 若将该系统锁定在( p 。( t ) = n 2 ，即：s i n ( o ( f ) = 1 的j 下交状态，则2 1 3 式中只 取最后一项，它与a ms i n c o t 相乘，其输出v2 为： 巧= 2 c - 以。( 或) s i n ( 2 ”+ 1 ) ( q h 巧) - 厶( 九) s i n c o , , t 。”。 2 1 4 + 4 c 以。( 丸) s i n ( 2 行+ 1 ) ( q f + 占) x j ：。( b ) c o s 2 n ( o , , , l s i n 0 9 ( r ) n = 0 ：l 式中，c = k 以g ，a 。为振荡器的振幅，g 为乘法器的增益。由于高次谐波幅值 小，因而检测灵敏度低，所以该检测系统工作在j 下交状态并不利。 ( 2 ) 若将系统锁定在p 。( t ) = o ，即：c o s 妒( t ) = 1 的工作状态，则式2 1 3 中只耿前 一项，该项经乘法器与以s i n e ) 。t 相乘后得： 匕= 4 c z 4 。( 九) s i n ( 2 n + 1 ) ( q f + 占) 以。( 丸) 月= 0 = l s i n ( 2 n + 1 ) c o ，t s i n c o , ( t ) ：一2 c 芝( 以) s i n ( 2 门+ 1 ) ( c 0 , t + 占) n = 0 杰以。( 丸) c 。s ( 2 ，z + 2 ) t - c o s 2 n f l ”= i j 此时，当n = 0 时，有基频吣，即( 败) 以( ) s i n ( c o x + d ) ， 该项可用带通滤波器取出，从而可得待测信号v s ( t ) 为： ( r ) = 2 d j i ( q o ) j 。( p ) s i n ( w ，t + 6 ) 2 1 6 式中，d 为常数，与光纤干涉仪两臂光功率乘积及电路增益等因素有关。 2 1 5 浙江火学坝i 学位论史 在本研究课题中，由于光纤系统本身的不平衡以及温度、干扰等环境的影响， 对光纤中光波相位影响很大，会使检测系统漂移最佳工作点。因此检测系统中需要 耿出与干扰项s i n 吼( f ) 有关的项，作为反馈信号控制相位调制器，以实现系统跟踪。 对信号的提取及锁定是通过s r s ( s t a n d f o r dr e a r e hs y s t e m ) 生产的s r 8 3 0 锁相放 大器来实现的，下面对锁相放大器原理作一简单介绍。 2 3 锁相放大器( l o c k - i n a m p l i f i e r ) 用于微弱信号测量的锁相放大器是基于相关检测技术的相敏检波装置。相关检 测技术是利用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去 除噪声的一种技术。锁相放大器将等效噪声压缩在极窄的频带宽度内，众所周知， 噪声电压的频谱很宽，而信号的带宽相对面言较窄，为了提高信噪比，把放大器的 频带尽可能变窄，就可以滤去大部分噪声，把淹没在噪声中的信号检测出来。锁相 放大器具有体积小、使用方便、微机的可控制、可靠性与稳定性等特点。 2 3 1 锁相放大器的原理 锁相放火器采用在无线r g 电路e p 已经非常成熟的外差式振荡技术”1 ，把被测量 的信号通过频率变换的方式转变成为直流。 l p f c o s ( b 一口) 2 一c 0 8 ( 2 t + 口+ 口) 1 2 图2 5 基本原理圈 任外羞式振荡技术中被称为本地振荡( l o c a lo s c i l l a t i o n ) 的、用丁馓乘法运 算的信号在锁相放大器中被称为参照信号。是从外而输入的。锁相放火器能够( 从 鬻 浙江大学倾i ：学位论文 被测量信号中) 检测出与这个参照信弓频率十f 嗣的分量。在被测量的信号罩所包含 的各种信号分量中，只有与参照信弓频率棚州的那个分量才会被转换成为直流，因 而才能够通过低通滤波器( i 。p f ) 。其他频率的分餐因为被转换成为频率不等十零 的交流信号，所以被低通滤波器( j p f ) 滤除。 九：频率域中，如下图所示。 削2 6频率域转换豳 锁相放大器对于噪声的抑制能力是 h ：图r 卜低通滤波器( l p f ) 的截止频率来 确定的。例如，在测量l o k t l z 的信号时，如果使用l m l l z 的低通滤波器( l p f ) ，那 么就等效于在使用l o k h z + l m l i z 的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为q 值，就相当于5 1 0 6 。要想真i i 制造这样尚的q 值的带通滤波器，那是不可能的a 但足，使用锁相放大器，这就很容易实现了。 如问前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器( b p f ) 时，如果 其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产f e 测量误差，最糟糕的情况 卜可能会把被测量信号也滤除了。 t j 这种情况相比较，对，二锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频：车多少有 蝗偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波 浙江人学倾1 ：学位论义 器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，珥；管通频带多么 狭窄都能实现。由此可见，锁相放人器具彳_ | 强人的能力从噪声中检测出被掩埋的信 号。 2 3 2 实际的锁相放大器 如前面所解说的那样，频率变换是通过乘法运算来进行的。一般的乘法运算模 拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。所以在实际的锁相放大器中，采 用丌关元件进行同步检波，由此实现频率变换。由丌关元件所进行的同步检波电路， 称作p s d ( 相敏检波器，p h a s es e n s i t i v ed e t e c t o r ) ，这是组成锁相放大器的心脏部分。 p s di p f 幽2 7p s d 对信号的处理 输出 聚用乃设作为参j ! 信号，与参照信号刚步使被测茸信号的檄性翻转，也就是征 1 ( 一1 ) 这两者之问进行切换。 如下图所示，p s d 的输出信号会出于被测量信号与参照信号之间的相位差，而 产牛很人的变化。由此，低通滤波器( l p f ) 的输出信号( 也就是锁相放大器测量 所得到的值) 也会广：生变化。 相位羞口相位差9 0 相位差l8 0 拔测量信号k q 孑 泔1 ：8 ：p 参照信号l 肿f 雌厂珊 咖的输出r 汇蚴；烈。r 氏风= - 弋又大夫： + l p f 的输出 o | 芏i2 8 相位羞的变化对输出的影响结果 号 口ii，-。 信 信几 蛩 飘二】 澈 参 撬 浙江人学顾j 二学位论文 除了相位差为0 。之外，在其他状态下小能很好地测量被测信号的大小。这样 就需要把参照信f 一，t 与被测鞋信号之f i t j 的十睢化芹悯1 y 刮0 。，然后 耳输入到p s i ) 。这 个相位 惆节的f 乜路，称作移相i 乜路( p h n s es h i f t e r ) ，是锁相放大器r f ，必不呵少的 电路。 p s dl p f p h a s es h h t e r l ! ! | 2 9 移柏i u 路 输出 2 3 3 锁相放大器的数学推导 为了简化数学推导，我们假设锁相放大的参考信号为正弦波信号，即 s i n ( m ，t + 曰，) ，输入信号也为正弦波信号，即s i n ( a ) ，f + 只) 。p s d 的输出就是该 参考信号和被检信号的乘积： v 。_ = y y ? s i n ( r _ o r t + 0r ) s i n ( c ox t 七0 _ = 1 2 v x , c o s ( a ) ，一，i t + 印一p ，) 一1 2 v y , c o s ( r 竹，+ ，p + 0 ，+ 口，) 如果我们采用低通滤波器进行滤波，上式中的第二项就被滤去了，进一步如果 q = 埘就可以获得只一只了。参考信号的位相是可以调节的，我们调节到两个位 置，使它们之间正好相差9 0 ，就可以得到： 1 x = 妄k c o s a 0 二 1 】，= 去k s i n a 0 从上面的两个公式很容易就可以获得振幅r 和位相口 号 号n r 倍 捂刚 避 憬u 测 参 靛 浙江大学顽i ：学位论文 参考文献 郭风珍，于长泰，光纤传感技术与应用 m 杭州：浙江大学出版社，1 9 9 2 【2 】廖延彪，光纤光学【m 】清华大学出版社，2 0 0 0 【3 陈才和，丁桂兰等，全光纤加速度检波器信号处理系统，天津大学学报，1 9 9 9 ， 3 2 ：3 1 5 - 3 1 8 【4 】门长峰，张中华等，迈克尔逊光纤加速度传感器的信号探测与处理，传感器世界， 1 9 9 7 ，5 ：3 0 3 3 5 】曾庆勇，微弱信号检测口川杭州：浙江大学出版社，1 9 8 6 ，p 4 0 【7 j a c k s o nda ，d a n d r i d g ea ，s h e e msk m e a s u r e m e n t o fs m a l lp h a s es h i f t su s i n ga s i n g l e m o d eo p t i c f i b e ri n t e r f e r o m e t e r o p tl e t t ，1 9 8 0 ，5 ：1 3 9 一1 4 1 ( 8 jj a c k s o nd a p r i e s tr d a n d r i d g eae ta 1 e l i m i n a t i o no f d r f fi nas i n g l e - m o d e o p t i c a l f i b e ri n t e r f e r o m e t e ru s i n g a p i e z o e l e c t r i c a l l ys t r e t c h e dc o i l e df i b e ra p p l o p t ，19 8 0 ，19 ：2 9 2 6 - - 2 9 2 9 浙江人学坝i ：学位论义 第三章加速度计光学系统设计与分析 3 1 光纤柔性盘参数设计 光纤本身对外界环境的变化极为敏感，本课题中，压力应变引起光纤感应的变 化是有利于信号的提取，而温度、磁场等外界因素则会给干涉仪带来不必要的噪声。 因此本节主要从光纤传感部分的结构设计上着眼，力求通过设计合适的光纤盘结构 使单模光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，而对非被测物理量进行“去敏”，从 而达到我们的测量要求。 3 1 1 柔性盘杨氏模量的确定 描述物体弹性的物理量杨氏模量( y o u n gm o d u l u s ) 是工程技术中常用的参数。杨 氏模量是由拉伸物体时的应力和应变的关系求得的常数，不过由于树脂材料中绝大 部分材料的应力和应变都不成比列关系，一般是指在应力应变曲线中的非常初期阶 段( 应变值非常小的部分) 的应力与应变的比例常数。 国产单模光纤的制造材料的性质可以列表如下： 纤芯阻挡层外包层涂层 材料s i 0 2 + g e 0 2s i 0 2 + b 2 0 3s i 0 2环氧树脂 直径 94 51 2 01 6