光纖傳感器相位漂移及倍頻問題的解決方法

作者：時間：2011-03-27 來源：網(wǎng)絡(luò)

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一、引言

光纖傳感由于具有本質(zhì)安全、電絕緣性好、靈敏度高及便于連網(wǎng)等優(yōu)點，已在許多物理量的測量中得到應(yīng)用，特別是基于光纖干涉的傳感系統(tǒng)已成為物理量檢測中最為精確的系統(tǒng)之一。

光纖干涉儀是一種高精度測量儀器，但存在相位隨機漂移及倍頻等光學(xué)問題?，F(xiàn)有文獻報導(dǎo)中，解決的方法是采用相位生成載波技術(shù)，調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)過程復(fù)雜，并有可能產(chǎn)生信號波形的失真。另外，雖有采用壓電陶瓷（PZT）的報導(dǎo)，但未見對相位隨機漂移及倍頻問題的具體解決方法。為此，本文給出一種簡單實用的解決方案，在原理上說明其可行性，并進行了實驗驗證。

二、Michelson干涉型光纖傳感器原理

圖1所示為Michelson相位調(diào)制型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。由激光器發(fā)出的相干光經(jīng)光隔離器和耦合器后一分為二分別送入2根長度基本相同的單模光纖（即干涉儀的兩臂，其一為信號臂，另一參考臂），而后被反射膜反射，在耦合器的輸出端發(fā)生干涉。顯然，這是一種雙光束干涉儀，干涉光的幅度與信號光及參考光的幅度有關(guān)，其相位為兩臂光相位之差，干涉場光強分布為

I=I1+I2+2I1I2cos(Φ)=A+Bcos(Φ)（1）
Φ=2nπl(wèi)/λ （2）

式（1）右端是光電轉(zhuǎn)換的信號，I1、I2分別為干涉儀兩臂單獨存在時的光強，在檢測時通常以直流項對待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效應(yīng)，當(dāng)Φ=2mπ時，為干涉場的極大值，其中m為干涉級次。式（2）中，Φ為干涉儀兩臂光波的相位差，它可以表示為因為環(huán)境波動引起的隨機漂移信號S和待測信號N之和，由光波波長λ、光纖折射率n以及光纖兩臂長度差l共同決定。在波長一定的情況下，兩臂光程差改變nl，就改變了干涉信號的相位差，從而實現(xiàn)傳感功能。

圖1 Michelson光纖干涉儀的典型結(jié)構(gòu)圖

干涉光信號由光電轉(zhuǎn)換器（PD）轉(zhuǎn)換為電信號。通過檢測電信號的變化，就得到相應(yīng)的干涉光信號的相位變化。

三、相位漂移及倍頻原因簡析

由式（1）可見，I隨Φ呈余弦變化規(guī)律，I～Φ關(guān)系曲線如圖2所示。在Φ=2nπ處為最大值（n=0，±1，±2，……），而在Φ=（2n+1π處取值最小，而在Φ=nπ+π/2處變化最快，I變化最快即表示此時干涉儀具有最高靈敏度。

圖2 雙光束干涉的I～θ關(guān)系圖

所以，干涉儀應(yīng)在工作在兩臂光程差為π/2的位置，這樣它的靈敏度最高；否則，當(dāng)相位差在π或π的整數(shù)倍時，就幾乎檢測不到信號的變化。在實際探測過程中，即使事先調(diào)節(jié)兩臂光程差為π/2，也會由于緩變的隨機相位漂移噪聲、偏振噪聲及所處環(huán)境的某些無規(guī)則運動帶來的噪聲使靜態(tài)時兩臂光程差不能保持為π/2而出現(xiàn)相位漂移的現(xiàn)象，使輸出發(fā)生漂移，如圖3所示。

圖3 隨機相位漂移引起的零漂

另外，由式（1）可知，在檢測大信號時，若使兩臂相位差改變量超過π/2就會出現(xiàn)倍頻的現(xiàn)象，如圖4所示。可見，此時輸出信號不能反映實際信號。

圖4 大信號引起的倍頻現(xiàn)象

四、采用PZT解決相位隨機漂移及倍頻問題

1. PZT的光纖相位調(diào)制原理

PZT具有壓電效應(yīng)。當(dāng)電壓加在PZT筒上時，PZT筒的外徑周長會發(fā)生變化，從而使纏繞在PZT筒的光纖長度及折射率隨之發(fā)生變化，改變光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄏ辔弧?

光纖相位變化量的數(shù)學(xué)表達式為

（3）

式中，kl為光纖應(yīng)變系數(shù)。由式（3）可知，相位調(diào)制的關(guān)鍵是分析光纖長度的變化量Δl/l的規(guī)律。

圖5 PZT筒結(jié)構(gòu)

如圖5所示模型，PZT筒的高為h，電壓u（t）加于內(nèi)外半徑r1、r2間。由于使用的PZT筒半徑遠大于厚度（即r2mr2-r1），所以在PZT筒內(nèi)可以認為徑向電場強度E為均勻分布。即

（4）

式中，re=（r1+r2）/2為平均半徑。根據(jù)彈性學(xué)理論構(gòu)造柱面坐標(biāo)系，可以把PZT筒看作是橫向效應(yīng)振子，即在徑向施加電場，在圓周圍方向發(fā)生應(yīng)變。經(jīng)過一系列公式推導(dǎo)，可以得到

（5）

（6）

其中，s為PZT筒的周長；μ為泊松比；AE是一常數(shù)，與PZT筒的材料及外形有關(guān)；kfn為光纖剛度系數(shù)；Np為光纖匝數(shù)；kdp是負載系數(shù)，這主要是考慮光纖繞在PZT上應(yīng)變的不一致及滑動所產(chǎn)生靈敏度下降，一般取kdp=0.1～1.0。式（5）和式（6）表示了電壓u（t）與光纖應(yīng)變Δl/l的關(guān)系式，它是PZT把電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔坏哪Ｐ完P(guān)系式。

可以看到，光纖應(yīng)變Δl/l與加在PZT兩極的電壓成正比，這是利用PZT實現(xiàn)光纖的相移補償?shù)睦碚摶A(chǔ)。

2. 檢測小信號的方法

當(dāng)用光纖干涉儀檢測非常小的信號時，兩臂相位差的改變不會超過π/2，此情況下可不考慮倍頻，只要解決緩變相位的漂移。我們解決的方案如圖6所示。

圖6 檢測小信號時的相位補償原理框架

傳感器在實際應(yīng)用中需要探測的信號頻率一般至少在幾10Hz以上，緩變的隨機相位噪聲的頻率一般小5Hz。適當(dāng)設(shè)置低通濾波器的截止頻率，將緩變噪聲取出給比較器電路。當(dāng)存在緩變隨機相移時，相位噪聲通過低通濾波器，造成比較器電平的失配，從而產(chǎn)生輸出并作用于PZT?。PZT晶體在電壓的作用下產(chǎn)生徑向的拉伸或收縮，則纏繞在上面的光纖的長度和折射率也發(fā)生變化，使得光相位發(fā)生相應(yīng)變化，通過干涉光路造成了輸出光強的改變，并轉(zhuǎn)換成電壓信號，構(gòu)成了反饋環(huán)路，從而達到調(diào)制的作用。

在沒有重新達到平衡之前，比較器的輸出電壓將會在積分回路的控制下不斷的變化（積分回路起到保持電壓的作用），帶動光纖重新回到平衡相位。兩路干涉光中，一路纏在聲敏器件上用于信號檢測，另外一路纏在PZT上用于相位補償。實驗光源的是輸出光強的2mW的LD；PZT相位調(diào)制采用直徑約25mm的PZT。

3. 檢測大信號的方法

當(dāng)出現(xiàn)大信號的待測信號時，將出現(xiàn)圖4所示有失真的倍頻現(xiàn)象。我們的解決方案如圖7所示，相應(yīng)實用電路如圖8所示。電路的基本思想是利用PZT晶體的壓電特性結(jié)合PID電路技術(shù)對光纖進行調(diào)制，不僅對低頻相位漂移進行補償，而且對信號引起的相位變化也同時補償。這樣將信號緩變漂移及信號倍頻問題同時解決。

圖7 檢測大信號時的相位補償原理框架

圖8 檢測大信號時實用電路

檢測水聽器輸出干涉光的光電管D7將干涉光的強弱變化轉(zhuǎn)變成電流的變化，由12、13、14腳構(gòu)成的運放將其變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化并放大，W1的作用是調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。W2的作用是調(diào)節(jié)信號的直流分量，以消除干涉光的直接分量。由2、3、1腳構(gòu)成的運放對信號進一步放大，并將信號送入PID控制電路。由5、6、7腳構(gòu)成的運放及其外圍的Cp2、Rp6、Cp4、Rp9組成比PID電路。由于PZT的頻率響應(yīng)在水聽器有效頻段范圍內(nèi)不一致，PID電路中微分回路與積分回路分別針對一些特征高、低頻信號選擇放大。小容量電容Cp3的作用是防止PZT自激，抑制接近PZT本振頻率的噪聲（由外界環(huán)境或電阻等器件噪聲引起）。將反饋電壓信號通過適當(dāng)?shù)膸V波電路（由9、10、8腳構(gòu)成的運放及其外圍組成）就可以提取出信號，得到待測信號。

可以看到，本方案既可檢測大信號，也可檢測小信號，但電路較復(fù)雜。

五、實驗及結(jié)果

實驗裝置圖如圖9所示，將標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器探頭和光纖水聽器探頭置于同一聲場（對聲源而言位置靠近或?qū)Φ龋┲?，并將兩探頭的輸出同時接到數(shù)字示波器上進行比對測量?？紤]到桶內(nèi)和振動臺面的振動相差較大，故未采用在國家標(biāo)準(zhǔn)中建議的用放在振動臺面上的加速度計，改用標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器（型號RAS22，715研究所制造）。頻響在3Hz～1kHz范圍內(nèi)平坦，約為-178.5dB，靈敏度起伏0.6dB，并將其與被測光纖水聽器探頭同時置于校準(zhǔn)容器（圖9的金屬圓桶）中。所用振動臺型號為2101A，中國航天科技集團第702研究所制造。

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