韓春陽,楊 軍,苑立波

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院,哈爾濱 150001)

0 引 言

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,基于干涉原理的測量技術(shù)已成為物理量檢測中最為精確的測量方法之一,其測量精度已能達到波長的幾百分之一[1]。對于此類測量系統(tǒng),在實際應(yīng)用中通常選擇單模或窄帶高相干的激光器作為系統(tǒng)的光源,在精密測量環(huán)境下,其精度可以達到埃米量級。但是由于受到光源的限制,此類系統(tǒng)具有測量動態(tài)范圍非常小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對光學(xué)元件要求高、穩(wěn)定性差和成本高等缺點,所以很難達到實用化的要求。

采用白光干涉的測量方法能夠有效地解決其中的一些問題。白光干涉同其它的干涉原理一樣,可以通過對干涉條紋的觀察來實現(xiàn)對光程的分析[2]。在實際應(yīng)用中,它通常使用低相干、寬譜光源,如半導(dǎo)體激光器(LD)或發(fā)光二極管(LED)作為光源。白光干涉測量是通過監(jiān)測干涉條紋的相對差異來實現(xiàn),而不是取決于絕對強度,所以降低了信號監(jiān)測和處理的難度,從而簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。正是白光干涉技術(shù)具有靈敏度高、動態(tài)范圍大等優(yōu)良性能,所以自從1984年第一個完整的基于白光干涉技術(shù)的位移傳感系統(tǒng)被報道,在其后的幾年里,基于白光干涉原理的傳感器被廣泛應(yīng)用于壓力、溫度和應(yīng)變測量的研究中[3]。

在實際的測量中,白光干涉測量系統(tǒng)不僅對應(yīng)變量敏感,對溫度同樣敏感,所以溫度變化所導(dǎo)致的干擾已經(jīng)成為白光干涉測量向?qū)嵱没较蜣D(zhuǎn)變的一個瓶頸[4-5]。本文通過對白光干涉解調(diào)系統(tǒng)溫度效應(yīng)的研究,利用多重線性回歸方法,找到了測量結(jié)果與溫度之間的關(guān)系。通過采用被動式溫度補償方案,有效地降低了溫度對系統(tǒng)測量結(jié)果的影響。

1 基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖白光干涉原理[6]可用圖1所示的原理圖來說明。光源發(fā)出的光經(jīng)過3 dB耦合器分成兩束,一路進入傳感臂,一路進入?yún)⒖急?傳感臂的光程為S=2nL1,參考臂的總光程為2nL2+2X。調(diào)整掃描鏡的位置,使傳感臂和參考臂的光程相匹配,即滿足:

這時就會在該位置附近出現(xiàn)白光干涉條紋。零級條紋在干涉條紋的中央,其幅度最大,對應(yīng)于兩臂光程精確相等處。當(dāng)傳感臂的光程受到外界因素作用時,光程的變化Δ S=Δ(nL1)可以通過測量零級中央條紋對應(yīng)的反射鏡位置改變ΔX獲得。掃描鏡位置對應(yīng)傳感器光程的變化為:

圖1 光纖白光干涉Michelson干涉儀Fig.1 Fiber white light interference Michelson interferometer

白光干涉測量系統(tǒng)不僅對應(yīng)變量敏感,而且對溫度同樣敏感。當(dāng)在干涉儀的傳感臂上接入長度為L0的光纖傳感器,其周圍的環(huán)境溫度從 T0變化到 T時,那么對應(yīng)的光程和折射率的變化量可以表示為:

通過推導(dǎo)可以得到傳感器長度的變化量為:

當(dāng)波長一定時,根據(jù)文獻[8]可知式(5)中n0、αT和CT均為已知量。由此可知對應(yīng)變量進行測量時,溫度對測量結(jié)果的影響不可以被忽略[7]。

根據(jù)以上分析,設(shè)計了一套帶有被動式溫度補償?shù)陌坠飧缮鏈y量信號解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由參考干涉儀 (Mach-Zehnder干涉儀)和測量干涉儀(Fizeau干涉儀)構(gòu)成光路部分,選用1 310 nm的SLD作為系統(tǒng)的光源,由高精度線性位移臺和光柵尺構(gòu)成系統(tǒng)的光學(xué)掃描結(jié)構(gòu),最大掃描速度為8.75 mm/s。同時為了減小外界溫度變化對參考干涉儀的影響,在系統(tǒng)集成時,將參考干涉儀密封在一個保溫箱內(nèi),并在儀器的內(nèi)部安裝了兩個風(fēng)扇,用來降低系統(tǒng)內(nèi)部溫度場梯度分布。同時采用三路溫度傳感器分別對參考干涉儀、系統(tǒng)機箱內(nèi)部的溫度和匹配光纖周圍的溫度進行監(jiān)測,以便研究溫度對系統(tǒng)測量結(jié)果的影響。系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of the system

2 實驗結(jié)果及分析

為了更好地研究溫度變化對系統(tǒng)測量結(jié)果的影響,采用三路傳感器分別對保溫箱內(nèi)的光路、匹配光纖和機箱的溫度進行監(jiān)測。然后將白光干涉測量系統(tǒng)整體溫度下降至0℃以下,再使系統(tǒng)溫度慢慢升高至室溫,每隔1 min記錄一次干涉峰的位置,持續(xù)測試3 h。測量結(jié)果見圖3。

由系統(tǒng)溫度效應(yīng)曲線可以得出:當(dāng)光路溫度、匹配光纖溫度和機箱溫度變化量較大時,隨之干涉峰位移量的變化較快,反之當(dāng)這3個部分溫度變化量較小時,干涉峰位移量變化較慢?？梢姼缮娣逦灰屏颗c3個部分溫度的變化量有關(guān)。

根據(jù)以上分析,將干涉峰位移變化量ΔX與光路溫度T1、匹配光纖溫度 T2和機箱溫度T3聯(lián)系起來,對實驗數(shù)據(jù)做多重線性回歸擬合,可以得到下式:

由式 (6)可見,系統(tǒng)的測量結(jié)果主要受到匹配光路和保溫箱內(nèi)光路溫度變化的影響。根據(jù)該式對系統(tǒng)的測量結(jié)果進行溫度補償,結(jié)果見圖4。

3 結(jié) 論

綜上所述,系統(tǒng)在整個系統(tǒng)的測量過程中,由于受到外界溫度的影響,使其內(nèi)部溫度場分布不均勻,導(dǎo)致測量結(jié)果隨溫度的變化而不同;對于系統(tǒng)而言,其測量結(jié)果主要受到匹配光纖溫度、保溫箱內(nèi)光路溫度和機箱溫度的變化速率的影響。在外界溫度的作用下,3個部分溫度的變化速率不同,形成系統(tǒng)內(nèi)部溫度場的梯度分布,導(dǎo)致測量結(jié)果的變化。對于溫度對測量結(jié)果的影響可以利用線性回歸的方法進行分析和補償,能夠使溫度對測量結(jié)果的影響降低為原來的1/16。

[1]D.A.Jackson.Monomode Optical Fiber Interferometers for Precision Measurement[J].Phys.E.:Sci. Instrum.1985,18:981.

[2]Bosselmann,T.,and Ulrich,R.High-accuracy Position-sensing with Fiber-coupled White-light Interferometers[C]//Proc.2nd International Conference on Optical Fiber Sensors,Berlin:VBE.1984:361-364.

[3]Velluet,M.T.,Graindorge,P.,et al.Fiber Optic Pressure Sensor Using White-light Interferometry[J]. Proc.SPIE,1987,838,78-83.

[4]毛獻輝.環(huán)形干涉光纖傳感器若干關(guān)鍵問題研究[D].北京:清華大學(xué),2005:53-58.

[5]金 靖,宋凝芳,李立京.干涉型光纖陀螺溫度漂移建模與實時補償 [J].航空學(xué)報,2007,28(6): 1 450-1 454.

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[7]楊 軍.白光干涉分布式光纖形變測量技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2005:39-41.

[8] Yuan,L.B..Optical Path Automatic Compensation Low-coherence Interferometric Fiber Optic Temperature Sensor[J].Optical&Laser Technology,1998,30: 33-38.