基于光缆通信传输技术的仪器设备长度远程计量校准研究

基于光缆通信传输技术的仪器设备长度远程计量校准研究摘要：在高精工工业领域中，仍存在着长度测量误差过大的问题。针对该问题，提出了一种基于光纤通信传输技术的长度远程计量校准装置。结果显示，研究设计的装置在10μm距离内测量中，最大误差为0.178μm，相对误差最大为1.78%；在100μm距离内测量中，最大误差为0.631μm，相对误差最大为0.63%。研究设计的长度远程计量校准装置可以有效降低长度测量的误差。关键词：光缆通信""计量校准""传输技术""光学干涉ResearchonRemoteMeasurementandCalibrationofInstrumentandEquipmentLengthBasedonOpticalFiberCommunicationTransmissionTechnologyHUANGYingboAVICAECCHarbinDong’anEngineCO.，Ltd.，Harbin，，HeilongjiangProvince，150066ChinaAbstract：Inthefieldofhigh-precisionindustry，thereisstillaproblemofexcessivelengthmeasurementerror.Alengthremotemeasurementandcalibrationdevicebasedonfiberopticcommunicationtransmissiontechnologyhasbeenproposedtoaddressthisissue.Theresultsshowedthatthedevicedesignedforthestudyresearchhadamaximumerrorof0.178μmandamaximumrelativeerrorof1.78%whenmeasuredwithinadistanceof10μm;Inthemeasurementwithinadistanceof100μm，themaximumerroris0.631μm，andthemaximumrelativeerroris0.63%.Thelengthremotemeasurementcalibrationdevicedesignedforresearchcaneffectivelyreducetheerroroflengthmeasurement.KeyWwords：Opticalcablefibercommunication;Measurementcalibration;Transmissiontechnology;Opticalinterference光缆通信技术是基于光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。其基本物质要素包括光纤、光源和光检测器[1]。在发送端，电信号被调制到激光器发出的激光束上，通过光纤，利用光的全反射原理进行传输；在接收端，光信号被转换回电信号，从而恢复原信息[2]。光缆通信技术已成为现代通信网络的基石，其高速、大容量和抗干扰的特性使其在远程数据传输领域扮演着至关重要的角色[3-4]。传统的长度计量校准方法往往受限于物理距离和环境因素，难以实现长距离、实时的高精度校准。探索一种基于光缆通信传输技术的长度远程计量校准方法，对提升测量设备的准确性和可靠性具有重要意义。因此，本研究基于光纤通信传输技术，设计了一个长度单位远程测量的校准方法，以实现提高远程长度测量的实时性与测量精度的目的。本研究创新性地提出利用光纤通信传输技术迅速、稳定的特点，并基于光的干涉原理，设计开发了一种基于光纤通信传输技术的远程长度测量方法。1基于光干涉原理的量块长度测量校准方法1.1光纤通信中的光干涉光干涉原理是光纤通信传输技术的基础原理，利用光干涉原理，可以实现光纤通信传输的信号调制[5]。使用光纤进行光干涉时，需要利用干涉仪将相干光导入光纤[6-7]，光源经过分束器与反射镜处理后，投入同一平面，即可形成双光束干涉。在这个干涉条件中，光纤任意一点光强度的计算如下。式（1）中：、表示光源单独存在时相干光光源1和光源2对点的光强，单位为cd；表示光源至点的光程差，单位为mm；表示点的光强度，单位为cd；表示反射镜移动距离，单位为mm。光干涉条纹的强度与耦合效率和光源强度直接相关。在单模光纤中，光源可视为有且仅有一个，因此，、可视为0，点光强与光纤导出光强度的计算如下[8]。式（2）中：表示点光强度，单位为cd；表示光纤导出后光强度，单位为cd；表示耦合效率。由式（2）可知，反射镜位置的调整可以影响点光强度。1.2量块绝对长度测量远程校准根据光纤通信传输的光干涉信号调制原理，研究设计了一个量块绝对长度测量远程校准技术。该技术利用光纤，将可移动反射镜由量块一侧移动至另一侧时产生的光程差输入干涉仪中，实现量块长度的测量。研究设计的方法是以激光干涉仪测量的标准值对量块进行精确检定，实现量块长度的绝对测量。基于该方法，研究设计的仪器设备长度远程计量校准装置如图1所示。从图1中可以看到，研究设计的量块长度测量装置包括反射镜、分束器、准直器、耦合器、干涉仪、光纤和宽带光源。在该测量装置中，经过干涉仪耦合后进入光纤的光强度如下。式（3）中：表示相干光1在点的光强，单位为cd；表示相干光2在点的光强，单位为cd。光束经过量块后，通过反射镜产生的光强如下。式（4）中：、表示光束在量块两端至反射镜的光程差，单位为mm。在光程差相同时，取到最大值，记录此时实验室内反射镜的位置为a。光束经过测量平台后，通过反射镜产生的光强如下。光程差相同时，取到最大值，记录此时实验室反射镜的位置为b，量块长度即为a-b。1.3量块相对长度测量远程校准然而，某些设备仪器无法直接进行测量，需要参考标准件进行长度计量校准。因此，研究还设计了一个相对长度测量远程校准方法。相对长度的测量需要标准量块的参与，此方法利用激光干涉仪测量反射镜移动位置，对量块进行绝对测量，确保量块测量精度，提供可靠的长度校准。基于该方法，研究设计的量块相对长度的测量装置如图2所示。从图2中可以看到，相对长度测量装置的基本结构与绝对长度测量装置结构相似。相对距离长度量结构设计涉及的是一种远程校准方法，其中，高精度量块和反射镜的位移距离较短。该设计利用宽带光源发出的光束，通过分束器分为两束，一束照射在固定反射镜上，另一束照射在标准量块表面。这两束光经过光纤传输到待校准量块端，其中，光电探测器用于探测光强值。在校准实验室中，通过调整反射镜的位置，使干涉条纹光强达到最大，从而记录反射镜的位置变化，进而计算出待检量块和标准量块之间的差值。2长度测量的远程校准效果分析为了验证研究设计的长度测量远程校准装置的效果，研究搭建了一个仪器设备长度计量校准装置，将移动反射镜位置设置为10μm和100μm，将采样频率设置为25kHz，对研究设计的仪器设备长度计量校准装置进行了测量误差分析。研究设计装置的实验验证结果如图3所示。图3（a）为10μm与100μm距离内的绝对误差分析。可以看到，10μm距离下，最小绝对误差为0.012μm，最大绝对误差为0.178μm；100μm距离下，绝对误差波动范围较大，最小误差仅0.027μm，最大误差达到了0.631μm。图3（b）为10μm与100μm距离内的相对误差分析。可以看到，10μm测量尺度下，最小相对误差为0.12%，最大相对误差为1.78%；100μm测量距离内，最小相对误差为0.03%，最大相对误差为0.63%。实验结果表明，研究设计的仪器设备长度计量远程校准装置可以实现微米级的长度计量误差校准。研究设计并验证了一种基于光缆通信传输技术的仪器设备长度远程计量校准装置。结果表明，该装置能够有效降低长度测量的误差，在10μm距离内，最大绝对误差为0.178μm，最大相对误差1.78%；在100μm距离内，最大绝对误差为0.631μm，最大相对误差0.63%。该装置实现了微米级长度计量误差的远程校准。然而，装置的绝对误差会随测量尺度的增加而增大。未来工作将重点优化光纤信号传输装置，以进一步减少光程测量的绝对误差。[1]廖芳芳，黄钰，涂燕，等.热工试验多通道热电偶测量系统现场校准方法研究[J].中国测试，2024，50（S1）：82-88.[2]吴忠杰，吴丽滨，易国贤，等.基于光栅尺测量的明渠流量计校准装置及其在线校准方法研究[J].中国测试，2024，50（S1）：134-138.[3]邓雪峰，付永杰.基于光电延时模拟法的激光测距仪校准系统设计[J].光学与光电技术，2024，22（3）：43-49.[4]庞智强，牛玺娟，王朝旭.无回答与计量误差叠加时总体方差的校准估计[J].统计与决策，2024，40（7）：34-39.[5]刘贵鑫.飞机XPDR/DME专用测试设备计量检定系统设计