（光学专业论文）水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 长期以来，对油品特性及油膜厚度的测量一直是一个重要的研究课题。尤其，这种 技术在化学分析、石油勘探、工业控制、环境保护等领域有广泛的应用。但是，各种测 量方法或多或少受某些不确定因素的限制，总是不能获得令人满意的结果。 近些年发展起来一种以白光干涉原理为基础，对绝对位置进行测量的光纤传感技 术。该技术采用宽谱光源( 几十纳米) ，其相干长度仅几十微米，可以获得很窄的干涉 包络。这种白光干涉技术可以实现状态量的绝对位置测量，而且具有操作方便，测量范 围大，精度高，非接触等优点。 本文基于迈克尔逊干涉原理，通过扫描白光干涉装置对不同油品在水面形成的油膜 的特性进行了测量和分析。这种技术不仅可以测量附着在水表面上的油膜厚度，而且可 以鉴别附着在水表面上的油品的类型。本文最重要的工作是发现油水界面有反射，而且 即使在光穿过油品遭受很强的散射的情况下，从油水晃面反射回来的光也足够与参考光 形成干涉包络。这样，从油膜表面反射回来的光和从油水界面反射回来的光就会各自与 参考光形成干涉包络。通过理论计算和实验分析这两个干涉包络的峰值比，发现并提出 了一种新的油品鉴定方法。实验结果表明，即使这种方法具有光强依赖性，但是光强的 浮动对实验结果影响非常小。 关键词：光纤传感器；白光干涉；水面油膜 水面油膜厚度及油品特性的自光干涉测量研究 s t u d y o nt h et h i c k n e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fo i l - f i l mo n w a t e r s u r f a c eb a s e do n w h i t e - l i g h ti n t e r f e r o m e t e r a b s t r a c t 1 n ed e t e c t i o no f t h ec h a r a c t e r i s t i co f o i l - f i l mo i lw a t e rs u r f a c ea n dt h i n f i l mt h i c k n e s si sa t o p i ct h a th a sb e e no fc o n s i d e r a b l ei n t e r e s tf o ral o n gt i m e i np a r t i c u l a r , t h i st e c h n i q u eh a s w i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni na r e a sa sc h e m i c a la n a l y s i s ，o i lf i e l de x p l o r a t i o n ，i n d u s t r i a lp r o c e s s i n g c o n t r o l ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e t c n l en e c e s s i t yo fv e r s a t i l em e t h o d st om e a s u r et h e c h a r a c t e f i s t i co f o i l f i l mo nw a t e rs u r f a c et h a ts u f f e rf r o m a m b i g u i t yp r o b l e m i ss t i l iu n s a t i s f i e d t h e s ey e a r s ，a l lo p t i c a lf i b e rs e n s o rt e c h n i q u eb a s e do nt h ew h i t e - l i g h ti n t e r f e r o g r a mi s p r e s e n t e dt oi n t r o d u c ea na b s o l u t ep o s i t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o d n es y s t e me m p l o y saw i d e b a n ds o u r c e ( i e ，af e wt e n so f n a n o m e t e r s ) w i t hal o w c o h e r e n c el e n g t h ( i e ，af e wt e n so f m i c r o m e t e r s lt h a tg a i n sah a t o wi n t e r f e r e n c ep a t t e m t h et e c h n i q u ep m v e dt 0b eac o n v e n i e n t m e t h o dp r o v i d i n gt h ec o m b i n a t i o no fa b s o l u t ep o s i t i o nm e a s u r e m e n tw i t l lal a r g ed y n a m i c r a n g ea n dh i g ha c c u r a c y i nt h i s t h e s i s ，at e c h n i q u e o f s c a n n i n gw h i t e - l i g h t i n t e r f e r o m e t e ri nm i c h e l s o n c o n f i g u r a t i o ni se m p l o y e dt om e a s u r ea n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tt y p e so fo i l f i l mo nw a t e rs u r f a c e t 1 1 i st e c h n i q u ei sc a p a b l en o t o n l yo f p r o b i n g t h et h i c k n e s so f o i l - f i l mo n w a t e rs u r f a c eb u ta l s oo fd i s c r i m i n a t i n gt h et y p e so fo i l - f i l mo nw a t e rs u r f a c e 1 1 1 ea m b i t i o u s w o r ko f t h i st h e s i si st of i n dt h ef a c tt h a tt h ei n t e r f a c eo f o i lw i t hw a t e ri sa b l et or e f l e c tw h i t e - l i g h tb e a mg o o de n o u g h t of o r ma 1 1i n t e r f e r o g r a m e v 9 1 1i fi ti ss u n e c t e dt oo i l f i l md i s p e r s i o n ， s ob e t ht h er e f l e c t i o n so f t h eo i l - f i l ms u r f a c ea n dt h ei n t e r f a c eo f o i l f i l mw i t hw a t e ra r eg o o d e n o u g ht o f o r mas u r f a c ea n da ni n t e r f a c ei n t e r f e m g r a r n ，r e s p e c t i v e l y an e wc r i t e r i o ni s d e r i v e dt h e o r e t i c a l l ya n dt e s t e de x p e r i n a e n t a l l yb y c a r e f u l l yc a l c u l a t i n gt h ei n t e n s i t yr a t i oo f t h e c e n t r a lf r i n g e so f t h es u r f a c ei n t e r f e m g r a ma n dt h ei n t e r f a c eo n e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o di sr o b u s tt ot h ei n t e m i t yf l u c t u a t i o ne v e ni f i ti si n t e n s i t y - b a s e d k e yw o r d s ：o p t i c a l f i b e r s e n s o r ；w h i t e - l i g h ti n t e r f e r o m e t e r ；o i l - f d m o nw a t e rs u r f a c e - i i 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：磐日期：2 1 车幽 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 在微测量领域中，测量油膜厚度及油品特性是一个既重要又实用的方向。随着测试 计量技术的发展，这种技术在生命科学，石油勘探，工业控制，环境保护等领域有重要 的应用。油膜厚度的测试技术有电阻法 1 ，电容法【2 ，3 ，6 ，7 ，1 1 ，磁阻法 4 】，超声波法 1 0 ，激光诱导荧光法 8 9 】等方法。 电阻法：电阻法是最早使用的润滑油膜测量技术。原理是利用金属导电性能与润滑 油导电性能相差悬殊的关系。当油膜将接触面完全隔开时，电阻很大，而当油膜被微凸 体刺穿后，电阻便急剧下降。电阻法只能测定金属接触的有无而不能测定油膜的厚薄， 即只能给出定性的趋势，不能给出定量的数值。 电容法：电容法是一种比较成熟的技术。它的基本原理是通过测量两物体的电容值 来判断其间油膜厚度。如果已知润滑油的介电常数，根据油膜的电容值随油膜厚度增加 而降低的变化关系，可相当准确地计算出油膜厚度。但电容法不能测定粗糙峰接触的两 表面间膜厚，介电常数随压力而变化。 磁阻法：磁阻法又称磁路测量法，是一种相当有效的测量方法。其主要思路是测量 随油膜厚度而变的磁阻变化。这种方法受到重视是因为在测量润滑脂、乳化油、高添加 剂润滑油以及合成润滑剂时，一些传统方法会遇到一些不易克服的困难。但是磁阻法难 以检测线圈的温度特性。 超声波法：超声波法的基础是超声波在油膜层中透射与反射的特性，基本原理是反 射波中分离出一条与油膜厚度的变化同步变化的反射脉冲，对其进行处理以显示油膜厚 度。超声波法与传统的油膜测量法相比，优点在于：是一种无损检测法，它受油膜层 内散粒的影响较小，能测量某一小区域或某一点的油膜厚度，它在一般情况下不象光学 法那样受材质的影响。其缺点是空气间隙影响测量结果。 激光诱导荧光法：该技术依靠油品对紫外线的吸收和反射能力，用紫外线照剩会使 油品反射可见光，在不能显示自然荧光性能的油品中混入一种荧光添加剂，它可以反射 一定频率的激光，而反射光的强度与油膜厚度有关系。这种方法技术先进，测量可靠， 精度较高。它最突出的特点测量结果只与油膜的状况有关。激光诱导荧光法标定困难。 由于检测手段的限制，人们至今仍未找到一种对油膜厚度的动态变化信息进行有效 检测的成熟方法。 光纤及其传感技术的发展为实现对油膜的直接动态测量开辟了一条新的途径。与传 水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究 统传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、频带宽、测量范围大、抗电磁干扰、耐高 压、耐腐蚀、保密性好、在易燃易爆环境下安全可靠、便于与计算机等智能设备相连 接、在线测量和自动控制等优点 5 ，1 2 ，1 4 。 础，对绝对位黉进行测量的光纤传感技术。 近些年发展起来一种以白光干涉原理为基 该方案采用宽谱光源( 几十纳米) ，其相 干长度仅几十微米，可以获得很窄的干涉包络【1 3 ，1 6 】。实践证明，这种白光干涉技术可 以实现状态量的绝对位置测量，而且具有操作方便，测量范围大，精度高，等优点。使 用光纤白光干涉装覆可对水面油膜厚度及油品的特性进行精确的、非接触的在线测量 【1 7 ，1 8 。 1 2 相位调制型光纤传感器概述 相位调制型光纤传感器的基本传感原理是：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 o 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 1 5 。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。与其它调制方式相比，相位 调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度。如果信号检测系统可以检测1h 糟d 的相位移，那么每米光纤的检测灵敏度对温度为l o 8 ，对压力为1 0 7 p a ，对应变为1 0 。 伽。动态测量范围大，可达1 0 ”，且探头形式灵活多样，适用于不同的测试环境，同 时响应速度也快【19 , 2 0 】。 常用的相位调制型光纤干涉仪有四种： n ) 马赫一曾德尔( m a c h - z e h n d e r ) 干涉仪； ( 2 ) 麦克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪： ( 3 ) 法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ，简写为f p ) 干涉仪； ( 4 ) 塞格奈克( s a g n a c ) 干涉仪。 此外还有利用相位关系检测的布拉格光栅( b r a g g - g r a t i n g ) 型、模间干涉型等。这些 传感器各具特色，发展到今天己经取得了很多理论成果，形成了进行深入研究和应用的 基础。 1 3 麦克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉型光纤传感器 m i c h e l s o n 光纤传感器的原理结构如图1 1 所示，光源s 发出的光经分光镜b s 后分 成两路，一路经反射镜m 透镜l 耦合进入光纤( 粘在被测面上) ，再由反射镜m 。反射返 2 大连理工大学硕士学位论文 回形成信号光：另一路经透镜l 。祸合进入光纤，再由反射镜m ，返回形成参考光，两束 光相遇时发生干涉，干涉光的相位差为两束光的光程差。当被测表面变形时传感光 纤长度发生变化，则干涉光的相位差也发生变化。 图卜i 光纤麦克尔逊传感器结构 f i g 1 1f i h e r o p t i c s e n s o rs t r u c t u r ei nm i c h e l s o nc o n f i g u r a t i o n 出被测面的应变决定，即干涉后光强的变化受被测面的应变的调制。干涉后的 光信号经光探测器变成电信号。根据光强的变化可感知应变的大小。 这种传感器的特点，一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境的影响小；二 是光的发出与接收在同一侧，属单端操作。使用时可放在被测体的内部( 与两侧材料粘 成一体) 形成智能材料，也可放在被测体的外部。目前，m i c h e t s o n 光纤传感器最大测量 范围达1 5 0 0pe ，最高分辨力达2ue 。这种传感器在制作时的难题是如何保证两束光 的强度相等及如何保证两个信道感受同一环境且不感受同一应变。 1 4 本论文的主要内容 论文的第一章扼要论述了油膜厚度测量的国内外进展。 论文的第二章论述了光纤白光干涉传感机理、白光干涉实验装置的结构。 论文的第三章论述了测量水面油膜厚度的意义、使用白光干涉测量水面油膜厚度的 依据、光纤白光干涉法测量水面油膜厚度的原理、实验结果及数据分析以及降低实验系 统噪声的措施。构建了水面油膜厚度测试系统，提出了一种新的测量水面油膜厚度的方 法。 论文的第四章论述了白光干涉法测量油品的意义、实验原理、实验结果及数据分 析，提出了一种新的鉴别油品的方法。 3 水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究 2 光纤自光干涉型传感器 2 , 1 光纤白光干涉传感原理 2 1 1 光的干涉 当两束或多束光波在空间叠加时，叠加区域内出现的稳定的强度重新分布现象，即 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e 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性叠加原 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所产生的电场强度矢 量。 e = e ( 1 ) + e ( 2 ) + e ( 3 ) + e ( 4 ) + e ( 1 ) e ( 2 ) ，e ( 3 ) ，e ( 4 ) 不同的光源独立地在该点上产生的电场强度矢量。 e ( 1 ) = e 1 e x p i ( k 1r c o1 l 一61 ) e ( 2 ) = e 2 e x p i ( k 2 r o ) 2 t - 62 ) ， 式中：r 为场点的位置矢量；k 为波矢量；6 。和6 ：分别为两列平面波的初位相差。 2 1 2 光干涉的基本理论 、干涉条纹的强度分布 两单色平面波所产生的合光强为： ，= f e f 2 = 占占= 慨。，+ 占( ：，x j ，+ ，) ：i + ，2 + 2 瓤c 。s 口( 2 - 1 ) 式中：曰= r ( 七l 一女2 ) + ( 4 一占2 ) 2 i 压c o s 臼项称为干涉项：。为位相差。当( 6t 一6 2 ) 为常数时，两个光源 是互相干的。上式是在假定e 1 与e 2 的振动方向相同的情况下得出的。此项表示：依赖r 的不同，使。变化，因而使i 在空间产生周期性的变化，这种变化就形成千涉条纹。显 然，光强的极大值条件为 4 一 大连理工大学硕士学位论文 r ( l t 2 ) 十p l 一占2 ) = 2 m x ( m = o ，l ，2 ) 光强的极小值条件为 r o ，一k ：) + 一也) = ( 2 m + 1 ) 万 ( m = 0 ，l ，2 ) 如果初相位差( 6 ，一6 ：) 以无规则方式随机变化，两个光源就互不相干，结果 使c o s0 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。如果两束光为偏振光，则干涉项也取决于偏振状态。当偏振态互相难 交时，e - e ，= 0 ，也同样无干涉条纹。这不仅对线偏振光，而且对圆偏振光以及椭圆 偏振光也同样成立。若r ，= ，：= ，o ，并且6 = 6 。，则位相差为0 = ，( t k ，) ，因 此光强为； i = 4 i o c o s 2 ( 2 2 ) 可见光强由两光波到该点的光程差决定。 二、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e 来度量，它的定义 是 善= 瓦l m , - - i m l n ( 2 3 ) 式中；五。和。分别为p 点附近条纹的极大值和极小值。 2 2 白光干涉型传感器原理 干涉测量方法是光电传感检测技术中使用的主要手段。大部分干涉测量采用激光作 光源，其缺点之一是只能进行相对测量，即只能用作状态量的相对变化测量而不能用于 状态量的绝对测量。近几年发展起来的采用白光( 或称宽带光) 作为光源的干涉测量方 法，不仅可以实现状态量的绝对位置测量，而且具有分辨率高、抗干扰能力强、精度高 和操作方便等优点，因而受到重视 2 1 ，2 2 1 。在白光干涉中，组成白光光谱的各个单色光之 间会相互干涉，并对最终的干涉光强产生贡献。不同单色光的干涉光强分别叠加，使得 5 水面油膜厚度及油品特性的白光于涉测量研究 综合相干长度变短，出现干涉条纹的区域非常有限，因此由于涉条纹的调制度来确定双 光束的零光程差位置成为可能。 光纤自光干涉型传感器结构见图2 - 1 图2 1 白光干涉实验系统 由l e d 发出的光经光纤耦合到2 2 单模光纤耦合器中，经该耦合器入射的光波被 分别入射1 和2 单模光纤中，且分光比为5 0 ：5 0 。传感光纤的光经光纤端面反射后， 又回到2 x 2 耦合器中，再一次被以5 0 ：5 0 的分光比分别入射( 进入) 到3 号和4 号单 模光纤中，其中4 号光纤中的光，由p d 探测器转变为电信号。另一束光由光纤2 导入 g i n 自聚焦透镜棒中，变为平行光，该平行光入射到可移动的反射镜m 上，由m 反射 回来的光再一次被g i n 透镜接收，进而又被按5 0 ：5 0 的比例分别入射( 进入) 到3 号 和4 号光纤中，同样4 号光纤中的光由p d 探测器转变为电信号。当1 号和2 号光纤的 位置正好满足m i c h e l s o n 干涉仪的相干条件时，则这两束光将在p d 探测器的表面形成 干涉。 设在p d 探测器表面所得到的光强为； 其中：u 。( f ) = k l u ( f ) + k 2 u ( t + f ) 是p d 探测到电场强度的复振幅 6 大连理工大学硕士学位论文 k 。，k ：为实常数( 1 、2 光纤臂的损耗系数) ，f 为1 号光路和2 号光路的光程差 所决定的两路光的相位延迟。 这样 ，。= = l = 女，2 l u + 屯2 + 毛k 2 + t 也 考虑平稳光场有： ，。= = 自相关函数为：1 1 ( ) = ；l = r ( o ) 所以：，。= ( 岛2 + k 2 2 ) l + 岛哎 r ( f ) + f + ( 一f ) ，d = ( l2 + 七2 2 ) l + 毛：r e f ( r ) + f ( 一f ) 由部分相干光源的定义 3 0 ： u ( o = f u ( v ) e x p - i 2 n v t d v 因此： r ( r ) = = r u ( f + f ) 8 矽 r ( f ) = j 伊。p ) e x p - i 2 z z v ( t + r ) u 。( v ) e x p - i 2 n v t d v d v d t r ( r ) = 胪。( v ) u 。( v ) e x p 一i 2 n v r i e x p - i 2 z r t ( v - - v r ) 】撕训 r ( f ) = 玩( v ) u 。( v ) e x p - i 2 z r r f g ( v - v ) d v d v r ( f ) = 1 u 。o ) 1 2e x p 一i 2 n v f l a y 7 水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究 特别地：r ( o ) 这样： j u 。( v ) i 2 d v r e r ( f ) ) = r e j 1 ( v ) 1 2 e x p 一i 2 n v f 】州 0 r e r ( f ) = 1 ( v _ 2 c o s ( 2 n v f ) a v ( 2 - 4 ) 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： ，d = ( 2 + k 2 2 ) 肛( v ) f 2 d v + 2 k 。k 2j i u o ( v ) 2c o s ( 2 n v f ) d r ( 2 - 5 ) 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：。= 2 k 2p 。1 + c 0 8 ( 2 n - v r ) d v ( 2 6 ) 其中：，o = | ) 虬( v ) 1 2 d v ：r = 嘭；工是m i c h e l s o n 干涉仪两臂光程差。若只考虑 0 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： x p 付 c 0 s ( 等) 其输出条纹图为一系列的正弦振荡曲线受到一个缓变的包络调制。 用m a t h c a d 仿真的白光干涉包络如图2 - 2 所示 8 。 ( 2 7 ) 大连理j ：【= 大学硕士学位论文 图2 - 2 自光干涉包络 f i g 2 - 2t h ep r o f i l eo fw h i t e 一1 i g h ti n t e r f e r e n c e 由以上各式可得出以下结论： ( 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z 2 指数衰减，并且相干长度k 越短，即光源的光谱宽度越宽， 信号幅度随石衰减越快，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，则输出的条纹的位置也会相应 的改变。 2 3 白光干涉实验装置总体设计 该白光干涉实验系统主要包括以下几个部分： 光源部分：包括给发光二极管供电的电源电路和发光二极管。 光路部分：包括单模光纤、3 d b 光纤耦合器和步进电机控制器 及其控制的电动位移台( 装有光学反射镜) 。 9 水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究 信号采集及显示部分：包括p i n 光电探测器、低噪声电流放大 电路、多功能数据采集卡( p ci 一6 0 1 4 e ) 和一台个人计算机( p c ) 。 如图2 3 所示。 图2 - 3 油膜厚度测量系统 f i g 2 - 3s e t u pf o rm e a s u r i n go il f i l mt h i c k n e s s 2 3 1 电路部分 一、光源 本实验中选用了美国h o n e y w e l l 公司生产的中心波长为1 3 1 0 h m 的面发光二极管作 为传感系统的驱动光源，谱宽约4 0 h m 。该光源的中心波长处于光纤的第二通信窗口 处，是专门为与光纤耦合而设计的小面积表面发光二极管，采用g a a l h s 作为发光材 料，这是目前所有直接带隙半导体中工艺最为成熟的半导体发光材料，具有较高的发光 效率，它的优点是带有标准活动光纤连接器，在注入电流为l o o m a 时，出纤光功率是 i 0 0uw 以上，寿命大于一万小时。 发光二极管的工作参数： 工作电流：1 3 0 m v ，实验中设定为9 0 m a 发光波长：1 3 1 0 n m 2 0 n m ，图2 4 是光源的光谱图 相干长度：4 2 u m 发光二极管的电源电路： 发光二极管可以工作在直流状态、交流状态和脉冲状态。l e d 的供电电路中一般要加限 流电阻阻限定其最大工作电流。图2 5 为发光二极管的驱动电路。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 图2 41 3 1 0 r i ml e d 光谱 f i g 2 - 4s p e c t r u mo ft h el e d ( 1 3 1 0 n m ) 图2 5 驱动电路 f i g 2 - 5d r i v ec i r c u i t 二、探测器选择与光电转换电路 水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究 调制光信号分别沿信号光路与参考光路返回，经光电检测电路后，转变为易处理的 电信号。衡量光电探测器的主要性能指标包括：响应度，噪声特性、光谱特性、温度特 性、响应时间及暗电流等。常见的光电探测器主要有：雪崩光电二极管( a p d ) 、光电 倍增管、普通硅光敏二极管和p i n 光电二极管。a p d 和光电倍增管工作时一般需要加较 高的偏压，使用起来不方便，尤其在现场测量情况更是如此，a p d 的等效噪声功率也较 大( 相对p i n 管而言) ，常用于入射光功率较小时( 1 0 唧) ；普通的光敏二极管暗电流 较大且性能不够稳定( 一般暗电流为几十n a ) ；p i n 管在测量光信号时响应快、线性 好、灵敏度高、噪声低、性能稳定。 综上所述，本系统选取h o n e y w e l l 公司生产硅p i n 光电二极管作为光电探测器件， 型号为h o r 3 3 2 2 一h 0 2 ，它的峰值响应波长为1 3 1 0 n m ，较低的暗电流( o 0 5 n a ) ，光功率 响应度为0 1 5 a w ，响应时间3 n s 。 光电二极管探测器的信号等效电路如图2 6 ，对于低频光信号入射，流过p i n 光电 二极管负载电阻尼的电流为： ( 2 8 ) 式中，础生电流；驴p i n 管反向饱和电流；府一串联电阻，由欧姆接触电阻和 未耗尽的半导体材料电阻组成：口一电子电荷：膏一玻尔兹曼常数；卜绝对温度；卜与 材料有关的常数；毋一并联结电阻；r 结电容。 rs 图2 - 6 光电二极管信号等效电路 r l f i g 2 - 6e q u i v a l e n tc i r c u i tf o rp h o t o e l e c t r o n i cd i o d e 由式( 2 8 ) 看出，负载电流五与光生电流厶并非线性关系。但在输出短路时 1 2 一 半 紫 大连理工大学硕士学位论文 r f v 0 图2 7 光电i v 转换电路原理图 f i g2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mf o ri - vt r a n s f o r m ( 舻o ) ，考虑尼( 1 0 0q ) 很小，而且条件i , r s a k t q 通常满足，上式可简化 i l 圭1 p ( 2 9 ) 即输出负载电流近似等于光生电流，而且与温度7 无关。因此为得到良好的线性输 出，p i n 应工作在输出短路状态下工作。 系统采用的p i n 管零偏压、电流输出工作方式如图2 7 所示，这里使用了运算放大 器构成i _ v 转换，将探测器输出的光电流转换为电压信号。由于运放的“+ ”、“一” 输入端之间几乎没有电流流过，故“+ ”输入端虚地，从而使p i n 管等效地工作在短路 状态，得到了良好的光生电流与输出电压的线性转换关系。 运算放大器采用i n t e r s i1 公司研制的i c l 7 6 5 0 第四代斩波自稳零集成运放，它采 用先进的c m o s 工艺，具有超低失调和超低温漂、高增益、高输入阻抗的特点，工作原 理是：由一时钟控制，分节拍工作，前一节拍将输入失调采集并存储于一电容中，后一 节拍采集信号和放大信号，并将此刻的失调与前一时刻的失调相抵消，所以电路总的失 调及温漂很小，性能优越稳定。电路除了两个采样保持电容需要外接外，其余的放 大、时钟振荡器和所有控制电路均集成于芯片内。其典型输入失调电压温漂为 o 0 1 州o c ，输入失调电压时间漂移为0 1 v 月，输入电阻1 0 1 硷。 三、低噪声直流放大电路 1 3 。 水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究 由于自光干涉得到的干涉强度条纹的可见度很小，因此，电流信号也很小，为了便 于观测，需要经过放大。图2 8 是为发光二极管及放大电路供电的电源电路，图2 - 9 是 实验中的电流放大电路。 棼 j r i j 卜二j ；嗣“ i 接 石一一：嚣撵： 陆：溶封捌：嚣一馨：= ! l 黧薅蘑 ? 苦 fv + 融群l 砖季曩二摩辩瓣f 鬟髅誊器霹# 霹薄i ，f 蹲曩 娃 鼍罨 v - h 彝 “一 j 蛔二 “l 撼童。：邕_ 1 ： ： 蛔：毒：i ： 叶1 # 17 1 t 甜一r 卜1 ” ? - 4 - b 曩j 菇。蒲 二囊 孑再j # 羽+ 刊翻掣艟j 【是隅剖荨辩陵 ；槲、? ! 秘藉镶 一一 ：千翻再卜 1 -糕攀鞘鳞 苒：主就士j 撼： 上 十- + j ；划蒜辑享 竹+ 专+ h 件一“j ，6 k 。 t 41 - ：| j ：1 1 ：it ：i 图2 - 8 电源电路 f i g2 - 8c i r c u i tf o rp o w e r i 一 卜亨羔娃。i 二二瞪址 融i 。l - 。- i - ；i 。i = i j ；鞫蓉烈目i ： 一 ：- 卜一：硐寸一一 幽 u o ”鼓浊” !r | ：- 。 。i ，辩辩+ i 曙事 。 群吲 ir* 。 赫：嘉图专辫【 i 一“一i -掣斗+ 1 ：! = 件h 一 燕 h i 。j 士蚌j 纛 ! t 一? l 肝l ；c j | i - - i d ； “ 。括扪妇矿卜 “ ：= ：= 1 r r “一一 一 0 。 一匕阱口7 酬 一- - i “寸_ u 剁一奢斗 i r 酊一 醛 i 。4 = = = = ：诂 - u - j - - - 辅丰i f 寸一 一l 。 e r “j ” c 砖1一一三羿 一划 ：2 土 笾三。量z 一土茬j ： 鞲 。士4 4 - ：- 1 4 - ： _ 车 诗 苷斗士一一一 士三崮菇t ：二 埘骥再群l i 莩骚： ：法 丰 葬毒麸二 瓣 辩王 ：燕毫 一 鼯 图2 - 9 放大电路 f i g2 - 9m a g n i f yc i r c u i td i a g r a m 2 3 2 光路部分 一、光纤耦合器 光纤耦合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 一个端口输入，而从另一个端口或几个端口输出。因此，光纤耦合器可以用来减少系统 1 4 大连理工大学硕士学位论文 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： ( 2 ) 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： ( 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： l = 一1 0 l g 地盟( 拈) d p | n 其中，三厶是第i 个输出端口的插入损耗；p o u c 是第i 个输出端口测到的光功率 值；p 。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i f f l ( d b ) 表示的数学表达式为： e l i = 一1 0 l g - o u r ( d b ) n p m 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 合器之间，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 分光比是光祸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。 c r = - 1 0 1 9 乙p o p u r 。1 。 例如对于标准x 形耦合器，1 ：1 或5 0 ：5 0 代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。 1 5 水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究 ( 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 比较僮，以分贝( d b ) 为单位的数学表达式为： d 上= 一1 0 1 9 等( p 1 n 1 其中，p i n l 代表注入光功率，p 刖2 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。均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的 参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化量。其数 学表达式为： e l = - l o l g 篇器c 如， ( 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 l g m i n ( p o c i r , ) ，d b ) m a x ( p o u ) 、 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。 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 卜川s 每( 棚) 1 6 大连理工大学硕士学位论文 式中：p ；某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；p | n 是被检测光信号的输入功率 值。 耦合器的选择：理想的光纤耦合器，信道插入损耗为0d b ，隔离比为o 。一般实际 值与理想情况接近，当需粗略的估算时，可按理想光纤耦合器对待。在本实验中，所选 的光纤耦合器的特性如下：单模，分光比5 0 5 0 ，插入损耗o 4d b ，隔离比大于等于6 0 d b 。这种光纤定向藕合器的插入损耗低，且不受偏振度和温度变化的干扰。 二、自聚焦透镜 当光线在空气中传播当遇到不同介质时，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2 一l o 透镜光轨迹示意图 f i g 2 - 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 l e n s p a t ho f g r i nl e n s 图2 一l l 自聚焦透镜光轨迹示意图 f i g 2 - 11s c h e m a t i cd i a g r a mf o ro p t i c a l 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。 数值孑l 径n a ：a = n s i n t z 。 公式中n 表示入射光所在介质的折射率：口。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端面聚焦及成像特性，以及其圆柱状的外形特点，因而可以应 用在多种不同的微型光学系统中。自聚焦透镜的主要功能有聚焦、准赢。 1 7 水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究 聚焦： 根据自聚焦透镜的传光原理，对于z = i 4 p 截距的自聚焦透镜，当从一端面输入一 束平行光时，经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一端面上。这种端面聚焦的功能是传统 曲面透镜所无法实现的。自聚焦透镜的这一聚焦功能如图2 - 1 0 所示： 准直： 准直是聚焦功能的可逆，反向应用。根据自聚焦透镜的传光原理，对于z = i 4 p 截 距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成 平行光线。自聚焦透镜的这一准直功能如图2 - 11 所示。 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 ) 。其折射率分布曲线见图2 - 1 2 。 一 ，( r ) = n o ( 1 - - “- j r 2 ) 公式中：帖表示自聚焦透镜的中心折射率；r 表示自聚焦透镜的半径 a 表示自聚焦透镜的折射率分布常数；d 自聚焦透镜的直径 厂、 图2 1 2 自聚焦透镜折射率分布曲线 f i g2 - 1 2r e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t e dg r a p hf o rg r i nl e n s 2 4 小结 综上所述，白光干涉型光纤传感器具有以下优点：可测量绝对光程；系统抗干 扰能力强，系统分辨率与光源波长稳定性、光源功率波动、光纤的扰动等因素无关；结 构简单，成本低廉；测量精度仅由干涉条纹中心位置的确定精度和参考反射镜位置的确 定精度决定。 1 8 大连理： 大学硕士学位论文 3 水面油膜厚度的白光干涉测量 3 1 测量水面油膜厚度的意义 测量油膜厚度及油品特性是一个既重要又实用的方向。随着测试计量技术的发展， 这种技术在生命科学，石油勘探，工业控制，环境保护等领域有重要的应用。油膜厚度 的测试技术有电阻法，电容法，磁阻法，超声波法，激光诱导荧光法等方法。但是上述 测量方法各有