（光学工程专业论文）干涉型光纤声发射传感器稳定性实验研究.pdf

哈尔滨广稃大学硕十学何论文 摘要 为提高灵敏度，基于相位调制的光纤声发射( a e ) 传感器是研究的主流。 这类干涉型光纤传感器有诸多优点，应用前景广阔，但要想将其实用化还需 要解决因相位随机漂移而导致的信号衰落问题，使输出信号稳定。 为了克服光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪易受环境因素影响而引起相位漂移 从而导致输出信号衰落( 波动) 的问题，采取了一种简单实用的方法，即直流 相位跟踪法( p t d c ) 。因干涉仪的输出信号分为直流和交流两个分量，直流分 量和低频交流分量通过低通滤波器滤出，积分后作为误差信号进行反馈，以 达到克服交流信号衰落、稳定检测传感信号的目的。在线性反馈系统下分析， 通过调节系统的截止频率，能够有效的抑制低频干扰信号。从理论和实验上 证明了在小信号测量的情况下，该方法能够有效抑制随机温度涨落等环境因 素引起的信号衰落问题；在大信号的情况下，倍频问题仍需另外采取措施来 克服。 本文重新设计了电路部分，通过使用差分放大器有效的避免了共模噪声的 干扰，并使得两臂的相位误差减到最小；通过设计压电陶瓷( p z t ) 反馈模块使 系统能够有效的稳定在正交工作点；单稳态触发器的设计使得反馈系统能够 有足够的时间复位。 关键词：相位调制；信号衰落：直流相位跟踪；p z t 反馈 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a b s t r a c t i no r d e rt oo b t a i nh i g h e rs e n s i t i v i t y , p h a s em o d u l a t i o n - b a s e df i b e r - o p t i c a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) s e n s o rh a sb e e np r o v e dt ob et h em a i n s t r e a mo fr e s e a r c h t h e s et y p e so fi n t e r f e r o m e t r i cf i b e r - o p t i cs e n s o r sh a v em a n ya d v a n t a g e sa n db e e n w i d e l yu s e d h o w e v e r , b e f o r ei m p l e m e n t i n gs u c hs e n s o r si n t op r a c t i c e ，t h es i g n a l f a d i n gp r o b l e mc a u s e db yr a n d o mp h a s es h i f tm u s tb eo v e r c o m et om a i n t a i nt h e o u t p u ts i g n a ls t a b l e an o v e la n ds i m p l es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o di su s e dt od e a lw i t ht h es i g n a l f a d i n gp r o b l e m o ft h em a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r , w h i c h i st h ed c p h a s e t r a c k i n gd e t e c t i o nm e t h o d w i t ht h i sm e t h o d ，t h et o t a lo u t p u to ft h e i n t e r f e r o m e t e rh a sb e e nd i v i d e di n t oa ca n dd cp a r t ，t h ed cp a r ta n d l o w f r e q u e n c ya cp a r ti se x t r a c tt h r o u g hal o w - p a s sf i l t e r , a n dt h e nb e e nu s e da sa f e e d b a c ke r r o rs i g n a lb yi n t e g r a t i o n ，s oa st oo v e r c o m et h es i g n a lf a d i n gp r o b l e m a n ds t a b l et h eo u t p u t ss i g n a l a n a l y z ei ti nal i n e a rf e e d b a c ks y s t e m ，t h em e t h o d c a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s st h el o w f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c es i g n a l sb ya d j u s t i n gt h e c u t - o f ff r e q u e n c yo ft h ef e e d b a c ks y s t e m i nt h ec a s et h a tt h es i g n a lt ob ed e t e c t e d i ss m a l la n dt h eb i a sp h a s ec h a n g ei sw i t h i nad e f i n e dr e g i o n ，t h ec o m p e n s a t e d o u t p u ts i g n a l o ft h em zi n t e r f e r o m e t e rm a yk e e pa l m o s ts t a b l e h o w e v e r , a d d i t i o n a lm e a s u r e sn e e dt ob e t o o kt os o l v et h ed o u b l i n gf r e q u e n c yp r o b l e m c a u s e db ys t r o n gs i g n a l i nt h i s p a p e r , t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i th a sb e e nr e d e s i g n e dt of i tt h e m e t h o d t h eu s eo fd i f f e r e n t i a l a m p l i f i e r s a v o i dt h ei n t e r f e r e n c eo ft h e c o m m o n - m o d en o i s ea n dm a k et h et w oa r m sp h a s ee r r o rt ot h em i n i m i z e t h e p i e z o e l e c t r i c ( p z t ) f e e d b a c km o d u l ee n a b l et h es y s t e mt ow o r ki nt h eq u a d r a t u r e p o i n ts t a b l y t h ed e s i g no ft h em o n o s t a b l ef l i p f l o pm a k e st h ef e e d b a c ks y s t e mt o h a v ee n o u g ht i m et or e s e t k e yw o r d s ：p h a s em o d u l a t i o n ；s i g n a lf a d i n g ；d cp h a s e - t r a c k i n g ；p i e z o e l e c t r i c ( p z t ) f e e d b a c k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：癸簇老 日期：沙少年歹月廖日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。一 作者( 签字) ：赞覆勿导师( 签字) 群甍率 。 1 日期： 珈夕年多月g 日侈多彤月孑日 哈尔滨t 秤大学硕十学伊论文 第1 章绪论 近2 0 年，用于无损检测与评估的声发射( a e ) 技术是各国学者研究的一项 重要课题。声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 又称应力波发射，是材料或 零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限盯。而进入不可逆 的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。在外部条件作用 下，固体( 材料或零件) 的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的 现象亦为声发射。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发 射源的技术称为声发射技术。自2 0 世纪6 0 年代以来，声发射技术在理论、 实验和应用研究等方面取得了很大进展，在检测系统的研制方面，许多新型 a e 检测系统不断问世并被成功应用。目前商用a e 检测系统常采用谐振式压 电传感器，其缺点是体积大、频带窄、只能安装于试件表面，并且不能在电 磁干扰、高温和腐蚀等恶劣环境下使用。光纤a e 传感器能完全克服压电声 发射传感器的缺点和不足，具有灵敏度高、体积小、频带宽、易构成分布式 检测且能在强电磁干扰、高温高压、核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下使用。 基于在材料损伤检测、大型构件完整性评估，结构健康评价和智能材料研究 等领域中的应用，光纤a e 传感器前景广阔，国外早已积极开展研究，国内 起步较晚。 1 1 光纤a e 传感器概述 通过被测的a e 物理量对传输光参数进行调制，然后解调被调制的光信 号，得出被测量从而了解试件当前的状态就是光纤声发射检测。因此，基于 a e 信号对传输光的强度、相位、波长和偏振态等参数调制的原理，就构成 了各类光纤a e 传感器。 1 1 1 强度调制型光纤a e 传感器 强度调制型光纤a e 传感器主要基于反射原理、透射原理、微弯损耗以 及光弹效应而制作的，常用的强度调制型传感器均是将光纤直接缠绕在被测 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 物体上的。当待测物理量发生变化时，光纤的曲率、节距都在随之变化，光 纤的输出光强也随之发生变化，以此来检测待测量的变化。强度调制型传感 器信号解调简单，在不要求a e 源定位的低精度场合有一定的应用【3 】。该传感 器的缺点是( 1 ) 构成点传感器困难。( 2 ) 光源波动，连接器损耗和光电探测器响 应度变化都会引起光强波动，造成错误输出。( 3 ) 灵敏度低，无法检测微弱 a e 信号。这些因素限制了其在a e 信号检测场合的进一步应用。 1 1 2 相位调制型光纤a e 传感器 由于目前不能直接检测光相位，因此必须采用光纤干涉仪把相位转化为 光强来进行检测，因此又称为干涉型光纤传感器1 4 4 1 。目前已研制成的马赫 曾德( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪，塞格奈克( s a g n a c ) q = 涉仪，法布里珀罗( f p ) 干 涉仪以及迈克尔逊( m i c h l s o n ) 干涉仪等都己应用于光纤传感器【 1 5 1 ，其结构分 别如图1 1 ( a - d ) 所示。m z ，s a g n a c ，m i c h l s o n 和低精细度f p 干涉仪都是双 光束干涉仪。干涉仪中传输光的相位是光程的函数。当a e 波作用于干涉仪 敏感段时，会引起敏感光束光程改变，从而导致其相位变化而与参考光束产 生干涉。因此可以通过检测输出光强的变化来了解产生a e 波试件的状态。 超声信号s ( t ) ( a ) m - z 型光纤a e 传感器 ( b ) s a g n a c 型光纤a e 传感器 超声信号s ( o 钿 哈尔演t 秤人学硕十学伊论文 超声信号s ( f ) ( c ) f - p 型光纤a e 传感器 超声信号s ( o ( d ) m i c h e l s o n 型光纤a e 传感器 图1 1 相位调制型光纤a e 传感器 1 1 3 波长调制型光纤a e 传感器 射端面 波长调制a e 传感器的敏感元件为布拉格光纤光栅( f b g ) 。其工作原理是 通过a e 波调制光栅的b r a g g 波长，然后由反射光波长的改变来检测a e 信 号。f b g 传感器灵敏度较高，容易构成分布式测量，但其对温度敏感，因此 解调方案复杂 1 6 q 8 。 1 1 4 其它类型光纤a e 传感器 其它类型的光纤a e 传感器有偏振光纤传感器以及基于光纤耦合器和多 普勒效应传感原理的新型光纤传感器1 1 9 1 。 1 2 光纤a e 传感器面临的主要问题 为获得高灵敏度，基于相位调制的光纤a e 传感器是研究的主流。这类 干涉型光纤传感器有诸多优点，应用前景广阔，但要想将其实用化还需要解 决许多问题。 哈尔滨t 稗大学硕十学伊论文 1 2 1 各种相位调制型a e 传感器的优缺点 s a g n a c 型a e 传感器在大型构件完整性评估方面有较大优势，应用报道 比较多t 2 0 。该传感器抗干扰能力强且易构成分布式检测。但低频灵敏度低、 偏振衰减和对温度敏感是其主要缺点。 m z 和m i c h e l s o n 干涉仪是现阶段应用最广泛的两种结构，其灵敏度高， 并且结构搭配灵活，易于实现阵列以及分布式测量1 2 1 之：】。其最大的缺点是敏感 长度较长，当需要进行点测量时，较为困难，由于其长敏感长度，受环境干 扰时，容易产生相位漂移导致信号衰落，而相应的稳定措施比较复杂，这就 是本文要研究并解决的问题。 ， f p 干涉仪应用也比较广泛 2 3 埘】，但此类传感器存在易受光源噪声影响， 并且其探头加工困难。 1 2 2 需要高质量的激光光源 首先，激光器必须有高频率稳定度。如果光源频率不稳，会引起大的相 位噪声，这种噪声随频率的减小而增大，且随干涉仪两臂光程差的增大而线 性增加，为了获得1 0 弓r a d 的相检灵敏度，干涉仪两臂的光程差需小于1 0 m m 。 另外激光器必须有很窄的线宽，否则就达不到足够的相干长度。 第二，光源振幅的起伏必须很小，否则出现的振幅噪声会产生一个与被 测信号无法区分的干扰信号。 第三，光源不允许返回光功率输入，否则会引起光频不稳( 线宽变宽) ， 如这种扰动使激光器进入多模工作状态，则激光频率将大幅度漂移，输出噪 声陡增而无法正常工作。一般来说光源与耦合器之间要有隔离度不小于4 0 d b 的光隔离器，把回输光隔开。 。 第四，与某些信号处理方法相联系，要求激光器具有良好的调频特性。 第五，为适于大规模组阵，光源要有足够的光功率输出。 1 2 3 对光纤的选择 由于普通单模光纤不能保偏，偏振态的随机变化会导致信号不稳定甚至 4 哈尔滨t 稃大学7 i 页十学伊论文 衰落，必须采用保偏光纤，对于灵敏度要求高的时候，还要采用消偏振衰落 技术保证系统长时间有稳定的输出。另外，由于在很多情况下需要对光纤进 行小芯径缠绕，所用光纤必须能不泄露或少泄露光功率。 1 3 信号检测 干涉型光纤传感器的信号检测就是要把干涉仪的光输出转换成正比于被 测信号振幅的电信号。当光纤受到外界扰动时，干涉仪输出一个相位调制信 号，通过检测相位的变化，就可以获得传感信号。由于干涉仪输出的相位调 制信号与相位的变化成非线性关系，而且受到温漂、压力波动、机械抖动等 因素的影响，信号会随机涨落，出现所谓的相位衰落现象附，】，使得干涉型光 纤传感器的信号检测比一般的复杂很多。外界因素会导致各种随机相移，往 往比待测信号引起的相移大三个数量级，这就需要解决在大噪声淹没中提取 微小相位信号的问题。2 0 多年来，伴随着光纤传感器的发展，出现了各种各 样的信号检测技术。下面我们将对各种信号检测方法进行简单的介绍。 图1 1m a c h z e h n d e r 型光纤干涉系统 为了方便讨论，我们假设干涉仪都采用图1 1 所示的m a c h z e h n d e r 型， 且整个光学系统为保偏的，相位调制器等有源器件只作用在参考臂上。则两 输出端的电信号可表示为： k = v o 1 + c t c o s ( s ( t ) + 痧, 一谚) 圪= v o 1 一c t c o s ( s ( t ) + 妒, 一谚) 】( 1 - 1 ) 圪= k 一砭 式中，取决于输入光的强度。口为光传播过程中综合光衰减因子，其中包 括耦合器的耦合率、及两臂的光衰减系数。 哈尔滨t 群了：学硕+ 学伊论文 1 3 1 直流相位跟踪法( p t d c 、) 由图l 可以看出系统中加入了反馈，有压电陶瓷产生的补偿相位为彳( 力， 则式( 1 1 ) 中的蚝变为： k = 2 v o c r c o s s ( t ) + 绣一谚一彳( ，) ( 1 - 2 ) 如果合理设计反馈电路，使谯饵卅( f ) 保持在2 m , r t s ：n 2 ，即正交工作点， 那么当s ( t ) 口1 的条件下，该系统近似为线性系统【2 5 】，即乃正比与双力，可表 示为： 圪= 2 v o o c s i n s ( t ) + 痧，一谚一彳( f ) 一1 c 1 2 = 2 v o a s ( t ) ( 1 3 ) 且信号中只有交流项，没有直流项；然而如果倦辨卅( f ) 偏离2 m n s ：x 2 时，线 性信号就会衰落，将有直流信号或者低频信号输出，该信号通过低通滤波器 取出，作为误差信号进行反馈。在直流相位跟踪检测方法中多采用积分器作 为反馈电路，如图1 2 所示：s 】 图1 2 直流相位跟踪检测系统简图 1 3 2 交流相位跟踪法( p t a c ) p t a c 比p t d c 多了一个相位调制器，系统也更为复杂，但它能更好地 控制系统的增益带宽积，实现锁相。另外，由于载波的引入，可以使用自动 增益控制电路( a g c ) 消除光源功率波动和偏振态变化的影响，获得更稳定的 输出。下面简单介绍p t a c 的工作原理。如图1 3 所昶：7 】 6 哈，j ：滨7 - 稃j ：学硕十学伊论文 i i i i 置 图1 3p t a c 检测系统结构图 参考臂中引入了两个相位调制器，因此输出电压为： v ( t ) = a + b c o s ( ( , o 一巳c o s 蛾f 一)( 1 - 4 ) 式中，纯是由调制器1 产生的补偿相位；巴c o s o g , t 是由调制器2 产生的调 制相位。设纯= 伊一，则式( 1 4 ) 可以写为： v ( t ) = a + 召c o s ( 纪一c 埘c o s 蛾f ) ( 1 5 ) 将式( 1 5 ) 乘以g c o s 石o , t 并进行低通滤波，得到反馈控制信号 g 蹦( 巳) s i n q ，。当系统锁相后，反馈相位纸总是要抵消妒，又不能完全抵 消，使得纯= l 。最后输出的信号可以写成g 1 胗，其中g l = g b j i ( c r , ) ，7 是一 小量，经高通滤波器滤波后可以得到传感信号织。 1 3 3 相位产生载波法( p g c ) 2 8 - 2 明 相位产生载波技术是用于光纤传感器中很重要的一种信号解调方法，是 在被测信号带宽以外某一频带引入大幅度相位调制，则被测信号位于调制信 号的边带上，这样就可以把外界干扰的影响转化为对调制信号的影响，并且 把被测信号的频带与低频干扰频带分开，以便后续噪声分离。这种方法需要 对相位进行调制。 采用光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪作为传感器，直接测量会引起信号测量的 误差，影响干涉仪的精度，在干涉仪的参考臂上加p z t 作为相位调制器，调 制信号频率为，幅度为c 的干涉仪输出光强为： i = a - 4 - b c o s c c o s c o o t + 痧( ) ( 1 6 ) 哈尔滨下稃人学硕十。等伊论文 其中，彳、b 为与输入功率成比例的常数，并且还与耦合器的耦合系数、光源 的相干性有关，多( f ) 为信号与外界干扰所引起的相位变化之和。利用b e s s e l 函数对式( 1 - 6 ) 进行f o u r i e r 分解得： ，= 爿+ b 厶( c ) + 2 ( 一1 ) 以。( c ) c o s 2 k m o t c o s 痧( t ) 。 拓1 ( 1 7 )、。， 一2 【( 一1 ) 以。+ ，( c ) c o s ( 2 七+ 1 ) ， s i n 咖( f ) ) k = 0 从上式可见，当咖( f ) = 0 时，在输出信号中只含有蛾的偶数倍频项。当 咖( f ) = n 2 时，在输出信号中只含有铭的奇数倍频项。用同样方法痧( f ) 可以 分解为信号d c o s a , v 和噪声r ( f ) 两项，其中d 为信号波幅度，展开后得： c o s 多( t ) = 厶( d ) + 2 ( 一1 ) 以；( d ) c o s 2 k r o t c o s ! f ( t ) 。 扣1 ( 1 - 8 ) 、一一， - 2 ( 一1 ) 以川( d ) c o s ( 2 j i + 1 ) 纠 s i n y ( f ) k = o s i n 痧( t ) = 2 ( 一1 ) 。以川( d ) c o s ( 2 七十1 ) 删 c o s 吵( f ) 括o 。( 1 9 )、一， + c j o ( d ) + 2 z ( 一1 ) 以女( d ) c o s 2 k a r s i n5 f ( t ) 止= 1 从以上三式可以看出，当p = 0 时，在输出信号中，从频谱上看偶( 奇) 数倍角频率缈出现在偶( 奇) 数倍角频率鲲的两侧；当罗( f ) = 万2 时，偶( 奇) 数倍角频率彩出现在奇( 偶) 数倍角频率编的两侧。这些出现在奇数或偶数倍 角频率铭两侧的边带信号携带着待检测信号。当不加入载波信号编时， i = a + b c o s 西( t ) ，若多( f ) = d c o sa i r + p ( f ) = 0 ，则c o s 咖( f ) = 1 ，则由于信号 西( f ) 的存在，信号将发生消陷或畸变。 图1 4 光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪p g c 调制与解调框图 哈尔滨t 裾夫。孚! 硕十学伊论文 m a c h z e h n d e r 光纤干涉仪调制解调方案系统框图如图1 4 所示。十涉仪 两臂输出的信号通过差分放大后，将差分输出分别与蛾的一次基频和二次倍 频的余弦波进行混频，并将得到的两个混频信号分别通过低通滤波器l f l 和 l f 2 后得到两个正交信号为： 一b g z ( c ) s i n 痧( f )( 1 一l o ) 一b h j z ( c ) c o sq ) ( t ) 其中，g 、日分别为混频余弦波和2 c o o 的幅度。 为了消除随即扰动而引起的信号消隐现象，将式( 1 i o ) 矛d 式( 1 1 1 ) 微分并 交叉相乘后相加得：b 2 a 弘( c ) 以( c ) 痧) ，积分就可以得到信号痧( ，) 。 1 3 4 合成外差法1 3 0 - 3 h s h e t 采用的也是相位产生载波解调技术，与p g c 不同的是在信号解调 过程中，s h e t 是通过信号合成的方法获得标准的外差信号，然后利用成熟 的锁相放大技术可以简单地实现信号的解调。这也是所有外差法最大的优点。 但是如果参与合成的2 个信号的相移和幅度不匹配，产生的信号就不是真正 的外差信号，这会严重影响解调结果，而且大大限制了最小可测信号。图1 5 是典型的合成外差的原理框图。 图1 5 合成外差调制解调的原理框图 当参考臂受到1 个正弦信号调制时，光电探测器输出的信号为： 9 哈尔溟t 稃大学7 7 页十学伊论文 v ( t ) = a + b c o s gs i n f + 缈( 1 - 1 2 ) 让( 1 1 2 ) 式分别经过中心频率为蛾，2 6 0 , 的带通滤波器，再分别乘以 c o s 2 c o 。t ，c o s c o , t ，然后分别通过中心频率都为3 6 0 的带通滤波器，得到： 一础( 巴) s i n 3 c o j s i n 矽( 1 1 3 ) 码( 巴) c o s 3 缈, , t c o s q o( 1 - 1 4 ) 当以( c 卅) = 以( g ) 时，( 1 - 1 3 ) 和( 1 - 1 4 ) 两式相加得到标准的外差信号 ( g ) c o s ( 3 c o 。, t + t p ) ，然后利用成熟的锁相放大技术进行信号解调。 相位产生载波法载波方式目前最常用的有两种：一种是在干涉仪的臂 用p z t 相位调制器，把载波信号7 3 i 至f j p z t 元件上，称为外调制；另一种是直接 调制半导体激光器，某些光源输出的激光波长与注入激励电流有关，在一定 发光功率范围内光源输出光频随调制电流的变化而近似线性变化，称为内调 制。想比而言，内调制无需在干涉系统中加入机电元件，更容易实现全光纤 化。 1 3 53 x 3 耦合器直接解调法 3 x 3 光纤耦合器解调方法是一种比较新的解调技术，是伴随相位解调技术 的发展而发展起来的。相比而言，3 x 3 耦合器法输出信号可靠稳定，且不需要 在光路部分引入载波调制，光路部分相对简单，有利于集成光学传感器的研 发。其基本光路如图1 6 所示。 p d l p d 2 p d 3 图1 63 x 3 光纤耦合器解调方法的原理图 它相对于相位生成载波技术结构简单，无需加载波信号进行调制，而且 可以不用电流调制指数作为选择激光器的指标，也不需要在两臂有光程差。 因此，这种调制方案可以降低由光源频率随机漂移造成干涉仪输出的相位噪 1 0 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 声，这也意味着作为光源的激光器的相干长度可以很短，从而大大降低了半 导体激光器的成本。 输出的3 路信号分别为： e = d + e c o s ( 呼0 ( f ) 一z x ) j 最= d + e c o s 烈，)( 1 - 1 5 ) 9 = d + e c o s ( 烈f ) + 詈尼) 式中，q o ( t ) = 织一够是传感臂与信号臂的相位差，d 和e 是与耦合有关的常数。 解调方案就是利用三个互成1 2 0 。相位差的光纤耦合器，把筛号解调出 来 3 2 - 3 3 。解调过程包括3 路信号求和去除直流分量，再求平方和，然后将每个 交流信号与另2 个交流信号的微分的差相乘再相加，再积分后经高通滤波即得 俱，由于运算过多，电路设计较为复杂，一般采用软件来实现。 输出的信号为v o u t ( f ) = 3 4 4 如烈f ) 4 ，其中，4 ，4 ，a 3 都是加法器的 增益系数，么n 微分器增益系数。 这种解调方法需要3 路信号空间对称，即要求输出信号间产生绝对1 2 0 。 的相位差，3 x 3 光纤耦合器分光比均匀，然而3 x 3 耦合器一般都不具有理想分 光比，可以在3 x 3 解调系统中加入自动增益控锘i j ( a g c ) 从而克服这个缺点1 3 钔。 这钟解调方法一般采用l a b v i e w 软件来实现。 1 3 6 各种检测方法的比较 由于抗相位衰落技术是各种干涉型光纤传感器的关键技术之一，每种比 较实用的方案细节都难以获得详细的报到，因此要对各种方法做出客观详细 的评价非常困难。表1 1 对各种检测方法的主要特性进行了比较 3 5 1 。其中么( 力 和b ( f ) 是参考臂上的调制相位。彳( 力代表为保证系统工作在正交工作点而生成 的反馈补偿相位，般是利用压电陶瓷拉伸缠绕在上面的参考臂光纤活动； 8 ( 0 通常具有m c o s ( g o , t ) 的形式，可以利用压电陶瓷或光源调频来获得，也就 是所说的“载波 。对于不同的检测方法，彳( f ) 和b ( t ) p - - y 能m 时存在，也可能 只存在其中之一，或者二者都不存在。 哈尔滨t 稃大学硕+ 学伊论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i 表1 1 各种信号检测力法的比较 p t d cp 1 a cp g cs h e t3 * 3 是否移频 否 否否否否 有无a ( t ) 有有无无无 有无b ( t ) 无有有有无 有无反馈有有无无无 是否无源 否否 是 否 是 是否需要特殊光路 否否否否 是 信号失真特性差好好差差 系统复杂程度低中中尚低 能否使用低相干光源能能不能能能 能否抗光源噪声能能不能能能 1 4 论文主要工作 本论文的主要任务是解决干涉型光纤传感器因相位随机漂移而导致的信 号衰落问题，使输出信号稳定，从而进行声发射检测的研究。在实验室原有 研究的基础上，和实验室的同学一起改进整套系统，利用双光束干涉系统( 本 论文的实验系统为m z 型) 结构，对声发射信号的检测及信号处理进行了探讨 与设计。通过光路系统严格控制、反馈电路加入与信号处理电路的改进，使 系统的衰落现象得到有效的控制，也使整个系统的稳定性得到提高。 本文主要对双光束干涉型a e 传感器的稳定性进行研究，对信号检测方案 进行了研究，通过原理上的分析以及反复实验，采用了有反馈控制的直流相 位跟踪法( p t d c ) 检测系统，不断改进原有系统的电路处理模块，以及p z t 反 馈控制模块，使系统稳定性及灵敏度得到提高，更具有实用性，文章的最后 证实了所选方案的可行性。下面就各章节简要说明本论文的主要工作： 1 介绍了干涉型光纤传感器以及各种主要的信号检测方法。 2 分析了影响双光束干涉型a e 检测系统稳定性的原因；分析了光纤调 制原理；分析了小信号以及大信号对输出信号的影响以及检测方法；利用线 性系统理论对直流相位跟踪检测法进行了分析。 3 重新设计了干涉仪的信号检测电路、p z t 反馈模块电路以及信号处理 电路，并对各个电路模块进行了仿真分析，最后测试良好。 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 4 建立实验系统，分别测试了反馈系统的两个重要参数，并对系统的稳 定性进行了测试，测试结果证实了实验方案的可行性。 哈尔演一1 ：羊罕，j 。硕+ 学伊论文 i 第2 章m a c h z e h n d e r 干涉型光纤a e 传感器稳定性 的实验方案研究 光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪( m z i ) 因其具有体积小、重量轻、结构紧凑、 灵敏度高、易于复用等特点，广泛应用于光纤传感和光纤通信领域。光纤 m z i 不像s a g n a c 干涉仪，两路光经历同一光路只是传输方向不同，而是参与 干涉的两路光经历了完全不同的光路，这两路光的相位和偏振的任何不稳定 性都将导致光纤m z i 不稳定。这使得很多对于光纤m z i 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m z i 的稳定问题，成为它 能否在实际系统中应用的一个关键问题。下面就光纤m z i 的相位补偿理论以 及所采用的直流相位跟踪法进行分析。 2 1 光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪相位补偿理论研究 2 1 1m a c h - z e h n d e r 干涉仪原理 m a c h z e h n d e r 干涉式光纤传感器的工作原理如图2 1 所示。 检测信号双力 图2 1m a c h - z e h n d e r 干涉式光纤传感器 激光光源发出的光被一个2 x 2 的3 d b 耦合器分成两束光，束光在参考 臂光纤中传播，另一束光在传感臂光纤中传输，待检测信号文f ) 作用在传感 臂光纤上，从第2 个3 d b 的耦合器出去的光经过光纤分别送到光电探测器l 和光电探测器2 。根据两束光的干涉原理，两个光电探测器接收到的干涉光 的光强分别为： = 每吐1 + c o s ( y c o s 甜+ 妒) ( 2 1 - a ) 1 4 哈尔滨t 秤歹：学硕十7 ：伊论文 i ， 一一 厶= 等口i1 - c o s ( t c o s r o t + f o ) i ( 2 1 一b ) z 一 一 式中，厶激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强，矿为传感臂与参考 臂之间总的相位差，口为光传播过程中综合光衰减因子，其中包括耦合器的 耦合率、及两臂的光衰减系数，7 c o s 研为待检测的信号双f ) ，一般此类干涉仪 中采用两个相同的耦合器。 2 1 2 正交偏置原理 由公式( 2 1 ) 可见，相位信号双t ) 同光电流i 的关系与两臂初始相位差缈 有关。当矽为0 时，说明两臂在无信号作用时初始相位相同，称为零偏置， 检测曲线如图2 2 ( a ) ，此时偏置点处于余弦曲线的顶部，光电流随相位角的 变化斜率接近于零，且响应的光电流信号频率也发生变化，监测灵敏度低，非 线性误差大，动态范围小；而当妒为别2 时，称为信号光和参考光在无外加 信号下的正交偏置，检测曲线如图2 2 ( b ) ，此时光电流于监测相位变化斜率 最大，线性近似非常好，在信号较小时，不会发生频率幅度失真，因此检测 灵敏度高，线性好，动态范围宽。 育”万一 s桉垆 一兀0兀一可20兀 ( a ) ( b ) 图2 2 不同偏置时检测响应曲线 因此，获得正交偏置是提高检测灵敏度的关键。目前有多种获得正交偏 置的方法，包括利用在干涉仪中加入移相器使干涉仪的两臂锁定在正交状态 的有源零差法和利用光源调制将相位置于载波状态下的相位载波法。在实际 探测过程中，即使事先调节两臂光程差为州2 ，也会由于缓变的随机相位漂移 哈尔溟t 干丌大。字硕十学伊论文 噪声、偏振噪声及所处环境的某些无规则运动带来的噪声使静态时两臂光程 差不能保持为z r 2 而出现相位漂移的现象，使输出发生漂移。 2 1 3 相位漂移引起信号衰落现象 公式( 2 - 1 ) 中缈其实包括两臂初始相位差、各种噪声引入相移婊，即 缈= g o + 纯。通常纯是低频大信号，产生的相位漂移往往大于万。相对而言 待测信号力是高频小信号，当7 i 2 一_ ) ，所以，在p z t 内可 以认为径向电场强度e 为均匀分布，即： 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 e ： 监 ( 2 5 ) r el i l ( 眨) 式中，r e = ( + 吃) 2 为平均半径。 根据弹性学理论构造柱面坐标系。可以 把p z t 筒看作是横向效应振子，即在径向施加电场，在圆周方向发生应变， 经过一系列公式推导，可得1 3 7 】： 竽：等：呸吃。f i l l ( 2 - 6 )一= 一= i r f z rn lj 其中，s 为p z t 筒的周长，g e 为一常数，它与使用的p z t 的材料( 杨氏模量) 和外形( 内外径及高度) 、光纤的刚度( 刚度系数) 、缠绕光纤的圈数、绕制光 纤的工艺( 导致负载系数) 有关；西l 为p z t 的压电常数。可以看到，光纤应变 刖咒与加在p z t 两极的电压k 。成正比，这是利用p z t 实现光纤的相移补偿 的理论基础。 图2 3p z t 压电陶瓷筒结构 2 1 5 干涉信号数学分析与仿真 将m a e h z e h n d e r 干涉仪的干涉信号输出公式( 2 - 1 ) 改写为： ，= a + b c o s ( x c o s c o t + 缈) ( 2 - 7 ) 其中，a = b = i o a d 2 ，萨伪待检测信号的幅度，缈为两臂总的相位差。将式( 2 7 ) 用b e s s e l 函数展开得： 七 ，= 彳+ b 【厶( x ) + 2 ( - 1 ) 厶( x ) c o s 2 七缈，】c o s 矿 七- 1 ( 2 8 ) 七 、。 一2 【( 1 ) j u + l ( x ) c o s ( 2 k + 1 ) c o t s i na c p 1 7 哈尔演- r 秤了：学硕十学伊论文 式中，撒) 为第f 阶b e s s e l 函数宗量值。由( 2 8 ) 式可知，干涉仪处于e 交工 作点附近时，a g t 在a y 2 附近，此时输出信号将只含有撕奇数倍频，即： i = a 一2 b j , ( x ) e o s a j r 一以( x ) c o s 3 a r + ( 2 - 9 ) 图2 4 为一类b e s s e l 函数f 阶宗量值变化曲线图，由图可以看出，当x 值很小时，随着f 越高z ) 越小，甚至忽略不计。所以对于小信号的检测， 所得波形的基频就是待测信号的频率。 、 厶( 工) ( j )， 、7 。心 、， “一 一 图2 4 一类b e s s e l 函数i 阶宗量值变化曲线图 对式( 2 1 ) 进行m a t l a b 仿真，取i o a ，2 = l ，y = o 1 ，a t ：2 刀2 5 。诹1 4 刃3 0 时，乃、乃的波形图分别为图2 5 ( a ) 、2 5 ( b ) ；a r p l t t , n 2 时，乃、厶的波形图分 别为图2 5 ( c ) 、2 5 ( d ) 。由曲线图可以看出，当y 较小时，波形图接近正弦曲 线，几乎没有失真，频率单一；当诹值趋近于刀2 时候，两臂输出的平均 光强值越来越接近直至相等；由曲线还可以看出两臂的相位始终相差；r - , 这是 由于两个耦合器引入的。 一 通过对式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 的分析，可以进一步知道：倍频的出现与待检测信 号的大小有关，信号越小，输出信号越接近正弦波；偶次倍频的出现不仅与 信号的大小有关，还与相位的改变有关，相位差矽趋近n r 2 时，偶次倍频 逐渐消失，a c p 远离万2 时，偶次倍频逐渐出现并明显。因此，为了抑制倍 频对实验的影响，实验中采用的信号均为小信号，即幅值小于x 2 的信号， 1 8 6 4 2 0 2 4 0 o 0 0 o 0 哈尔滨t 稗歹：学硕+ 学伊论文 i 这个时候当干涉仪处于正交工作点的时候，干涉仪输出的波形最能反映出待 测信号的频率，并且灵敏度最高。 嗣 0 嘲 0 萋1i 萋1。茸 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 51 01 52 02 53 03 54 0 4 5 5 0 o51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 1 1 m e ( s ) 图2 5m - z 干涉仪输出仿真波形图 2 2 直流相位跟踪法( p t d c ) 检测系统理论分析 ( a ) 干涉型光纤传感器检测技术中的一个重要问题是如何消除由于相位随机 漂移而产生的信号衰落。p t d c 是解决这一问题的方法之一【3 8 】，其优点在于 结构简单，电学复杂性低，信号畸变小，系统处于线性状态等。 然而对于不同的输入信号，又有区别，下面分别对小信号和大信号的检 测系统进行理论分析。 2 2 1 直流相位跟踪小信号检测研究 所n d , 信号，是指待测信号作用于干涉仪引起的相位变化很小，使系统的 响应近似为线性，输出与输入信号成正比。当系统处于正交工作点时，输出 信号中只有交流项，没有直流项；如果系统偏离正交工作点，将会有直流或 者低频的信号输出，该信号通过低通滤波器取出，作为误差信号进行反馈 3 9 - 柏1 。 这个误差信号一般通过积分器后作用于参考臂的压电陶瓷上，从而动态改变 1 9 哈尔滨丁稃人学硕十学伊论文 参考臂的相位，使受外界影响产生的相位随机漂移得到补偿 2 5 2 7 】。 图2 6m a t h z e h n d e r 干涉仪p t d c 小信号检测系统结构不恿图 图2 6 所示的m a c h z e h n d e r 干涉仪。假设可见度为1 ，则干涉仪经光电 转换后的输出为： 圪= 圪( 1 + c o s ( s ( ) + 织一够一彳( ) ) ) ( 2 - 1 0 ) v 0 2 = 圪( 1 一c o s ( s ( f ) + 鲵一够一么0 ) ) ) 其中，取力为信号引起的相位变化，钆和办分别为信号臂和参考臂的随机漂 移相位，彳( f ) 为p z t 2 产生的补偿相位。如果合理设计反馈电路，那么在小信 号条件下，近似有： 圪= 吒一k = 2 圪