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        邁克爾遜干涉儀在光纖光柵傳感信號解調(diào)中的應(yīng)用

        2016-08-01 03:26:01陶傳義
        中國科技信息 2016年13期
        關(guān)鍵詞:干涉儀邁克爾光束

        陶傳義

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        邁克爾遜干涉儀在光纖光柵傳感信號解調(diào)中的應(yīng)用

        陶傳義

        重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院

        陶傳義(1984-)男,安徽安慶人,博士,重慶理工大學(xué)副教授,主要從事工程光學(xué)教學(xué)及光學(xué)傳感研究。

        行業(yè)曲線

        本文針對光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),提出邁克爾遜干涉儀動態(tài)解調(diào)光纖布拉格光柵(FBG)傳感信號的方法,其原理是作用于FBG傳感器的動態(tài)應(yīng)變引起光柵反射光譜波長移動,然后轉(zhuǎn)化為相位變化并被邁克爾遜干涉儀解調(diào)。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域起到重要的技術(shù)支撐作用。

        如付諸現(xiàn)實將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。

        信號解調(diào)是光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹邁克爾遜干涉儀動態(tài)解調(diào)光纖布拉格光柵(FBG)傳感信號的方法,其原理是作用于FBG傳感器的動態(tài)應(yīng)變引起光柵反射光譜波長移動,然后轉(zhuǎn)化為相位變化并被邁克爾遜干涉儀解調(diào)。此方法可用于高頻動態(tài)測量,具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點。

        光纖布拉格光柵(FBG)是一種波長調(diào)制器件,基于FBG的光纖傳感器易于多路復(fù)用并形成大型FBG傳感器網(wǎng)絡(luò),已廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度和壓力的遠程光纖傳感。光纖光柵傳感信號的解調(diào)是光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一,主要包括濾波法、光源波長可調(diào)諧掃描法、干涉法等。其中干涉法是利用干涉儀將波長變化量轉(zhuǎn)化成相位變化量來實現(xiàn)解調(diào)。Krishnaswamy等開發(fā)一種基于InP光折變晶體的雙波混頻(TWM)干涉儀,可以解調(diào)小于250 pm的布拉格波長移動,能夠自適應(yīng)地監(jiān)測高于300 kHz的動態(tài)波長移動(G. R. Kirikera, 2011)。邁克爾遜干涉儀是一種常見的光學(xué)干涉儀,由美國物理學(xué)家Albert Michelson發(fā)明。1887年Michelson和Morley使用此干涉儀進行了著名的Michelson-Morley實驗,證實以太不存在,啟發(fā)了狹義相對論。由于激光干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差,在當今的引力波探測中邁克爾遜干涉儀得到了相當廣泛的應(yīng)用。邁克爾遜干涉解調(diào)響應(yīng)速度快、分辨率高、適用于動態(tài)測量(O. Balogun, 2009)。本文介紹非平衡邁克爾遜干涉儀解調(diào)FBG光譜響應(yīng),此方法有望應(yīng)用于實時監(jiān)測外來撞擊事件引起聲發(fā)射信號。

        光纖光柵傳感信號干涉解調(diào)原理與方法

        實驗裝置如圖1所示,主要由波長可調(diào)光纖環(huán)形激光器與非平衡邁克爾遜干涉儀兩部分構(gòu)成, FBG作為波長選擇反射鏡。環(huán)形激光器的輸出光經(jīng)準直并功率等分為信號光束和參考光束。信號光和參考光沿著非平衡光路傳播到反射鏡,被反射后它們重新結(jié)合并進入兩個高速光電探測器,兩光束形成干涉前提條件是它們之間光程差d小于光源相干長度?c ,即其中λB是布拉格中心波長,?λ是環(huán)形激光器的輸出光線寬。參考光從固定于壓電執(zhí)行器(PZT)的反射鏡上反射回來。第一個光電探測器的電壓輸出接入PID反饋控制器以電控方式抖動PZT執(zhí)行器,從而將信號光和參考光的靜態(tài)相位差鎖定在正交狀態(tài),阻止溫度和低頻波動引起的干涉漸漸偏離正交。干涉儀在正交狀態(tài)才能夠線性和高靈敏的解調(diào)動態(tài)波長移動。信號光反射鏡安裝在微調(diào)移動平臺,用于調(diào)節(jié)信號和參考光束之間的路程差。另一個光電探測器的輸出信號通過10MS/s數(shù)字示波器記錄,并連接計算機作數(shù)據(jù)處理。FBG反射光光譜移動?λB(t)引起的干涉光束相位差由下式給出

        圖1 實驗裝置示意圖

        圖2 撞擊信號的時間響應(yīng)曲線

        其中?n是環(huán)境引起的相位隨機偏移。邁克爾遜干涉儀干涉條紋由信號光和參考光的干涉疊加決定:

        上式中,?0表示兩光束的初始相位差;γ12是與光程差有關(guān)的復(fù)相干度。PID控制器的反饋電壓能夠主動地補償任何準靜態(tài)漂移以鎖定干涉儀在正交狀態(tài)。因此光電探測器輸出信號s(t)僅僅與高頻光譜移動有關(guān)。

        實驗中采用上述光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)探測金屬板受鋼珠撞擊產(chǎn)生的瞬時響應(yīng)信號。圖2給出探測的撞擊信號的時間響應(yīng)曲線。高頻聲發(fā)射傳感信號周期性地振蕩,撞擊信號的頻率從起始的約150 kHz逐漸降低。

        總結(jié)

        本文介紹了利用邁克爾遜干涉儀將傳感光柵波長變化量轉(zhuǎn)換成相位變化量的解調(diào)方法,此方法適用于動態(tài)應(yīng)變測量,響應(yīng)速度快,靈敏度高,可用于撞擊事件監(jiān)測。

        基金項目:重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項目資助 (No. KJ1500914)

        DOI:10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.035

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