鄭回歸 駱 琰 倪立成 杜 靚 彭保進

(浙江師范大學信息光學研究所 浙江 金華 321004)

1 引言

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的.在光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等環(huán)境的變化將引起光波量如光強度、相位、頻率、偏振態(tài)等的變化.光纖傳感器就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關(guān)系來檢測各相應(yīng)物理量的大小.光纖傳感器因抗電磁干擾、電絕緣性好，耐腐蝕、本質(zhì)安全、靈敏度高等優(yōu)點，已被廣泛關(guān)注[1～3].

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前只有少數(shù)幾所高校開設(shè)了有關(guān)光纖傳感的實驗，而且在已經(jīng)開設(shè)的實驗中，一般都要求學生在比較暗的環(huán)境下用測微目鏡瞇著眼睛直接數(shù)出條紋移動數(shù)目或從白屏上數(shù)出移動條紋數(shù)目[4,5],而且還需要其他學生配合，記錄溫度和應(yīng)變等數(shù)據(jù).現(xiàn)有的計算機參與的相關(guān)實驗中，也只是顯示條紋圖樣，而沒有對實驗數(shù)據(jù)進行處理的功能，實驗效果不夠理想.

本文搭建了干涉型光纖傳感實驗平臺,利用計算機與攝像頭的配合取代傳統(tǒng)的用肉眼觀察白屏得到條紋移動數(shù)目的方法，利用溫度傳感器與計算機的結(jié)合取代傳統(tǒng)的溫度計測量，可以在計算機上同時采集到溫度和移動條紋數(shù)目，實時描繪出溫度和條紋移動數(shù)目的關(guān)系圖，或者應(yīng)力和條紋移動數(shù)目的關(guān)系.改進后的系統(tǒng)使得光纖特性研究的實驗變得方便、靈活、條理清晰，同時也讓實驗更具有現(xiàn)代科技氣息.

2 Mach-Zehnder干涉型光纖傳感原理

圖1所示為Mach-Zehnder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)光隔離器和分路器以后一分為二分別送入兩根長度基本相同的單模光纖(即干涉儀的兩臂，其一為傳感臂，另一為參考臂)，此兩路光經(jīng)合路器發(fā)生干涉.其中傳感臂光纖經(jīng)過加熱器(以改變光纖溫度)或經(jīng)過拉力器(以改變應(yīng)變), 使傳感臂光纖的折射率和長度發(fā)生變化從而導(dǎo)致光程變化，引起干涉條紋的移動.

圖1 Mach-Zehnder光纖干涉儀示意圖

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[6,7]

(1)

(2)

干涉光信號被CCD接收，由計算機軟件自動判別條紋移動數(shù)，從而得到相關(guān)的傳感關(guān)系.

3 實驗裝置

基本硬件由激光發(fā)生器、分束鏡、凸透鏡、光纖、測溫設(shè)備、控溫設(shè)備、螺旋微拉力器、CCD(或攝像頭)、計算機組成，如圖2所示.

圖2 實驗系統(tǒng)的基本硬件組成

圖示(1)部分的激光發(fā)生器發(fā)出的光由分束鏡分成兩束后，能為實驗提供穩(wěn)定的相干光源，從分束鏡出來的兩束光分別再經(jīng)過兩個凸透鏡的匯聚作用，進入系統(tǒng)兩臂的光纖.圖示(2)部分是傳感，實驗中就用該部分光纖來探測溫度、應(yīng)力等物理量的變化.圖示(3)部分將兩光纖的出射端合并，產(chǎn)生干涉條紋.圖示(4)部分是CCD(或攝像頭)和計算機.圖示(5)部分用以測溫，由測溫探頭(熱敏電阻)和計算機采集卡等部分組成.圖示(6)部分用以控溫，由電阻絲和調(diào)壓器組成.調(diào)壓器的輸出端與電阻絲的兩端相連，光纖從電阻絲的腔內(nèi)穿過，調(diào)壓器可由調(diào)節(jié)電阻絲兩端的電壓從而控制電阻絲腔內(nèi)的溫度.圖示(7)部分是微拉力器，利用物理外力來拉伸光纖，從而研究其應(yīng)變特性.圖3所示為搭建的實驗系統(tǒng)實物圖.

圖3 實驗系統(tǒng)的實物圖

4 軟件設(shè)計

軟件主要由6部分組成，包括實驗總界面、光纖溫度特性實驗界面、光纖應(yīng)力特性實驗界面、了解實驗原理及操作步驟界面以及學生完成實驗報告界面和教師批改實驗報告界面[8].篇幅所限，這里僅給出干涉條紋的圖像處理.

4.1 條紋寬度的計算

本實驗中攝像頭接收得到的條紋圖像是640*480像素.條紋寬度是以像素為單位的，只要知道了屏幕上的條紋數(shù)目，根據(jù)640與條紋數(shù)目之比就能得到條紋寬度.判斷條紋數(shù)的關(guān)鍵是正確判斷亮條紋的最亮點，假如灰度分布是一個理想的正弦曲線波，可以用很多方法來得到干涉條紋的峰值，從而計算條紋的移動數(shù).本實驗儀可以進行手動測量條紋寬度和自動測量條紋寬度.

設(shè)一條與條紋方向垂直的直線為x軸，如圖4所示.將像素映射在x軸上，把每一點的灰度值累加到它在x軸的射影點上，然后取平均值，得到一條以像素值為x軸、灰度值為y軸的近似正弦曲線.

自動測量條紋寬度的關(guān)鍵問題是計算屏幕上的條紋數(shù)目.對以像素值為x軸、灰度值為y軸、近似正弦的曲線上的各個點取導(dǎo)數(shù)，可能出現(xiàn)的4種情況如圖5所示.

圖4 像素的映射

圖5 取導(dǎo)數(shù)后的4種曲線類型

第一種情況如圖5(a)所示，相鄰的3個點中出現(xiàn)峰值，取中間點的坐標為峰值位置；

第二種情況如圖5(b)所示，相鄰的4個點中出現(xiàn)峰值，取中間兩點坐標的平均值為峰值位置；

第三種情況如圖5(c)所示，在飽和情況下，相鄰的多個點都是峰值，取飽和長度的中間點為峰值位置；

第四種情況如圖5(d)所示，不出現(xiàn)峰值.

4.2 條紋移動數(shù)目的判別

本實驗儀的重點是讀取條紋的移動數(shù)目.計算只在屏幕范圍內(nèi)條紋的移動數(shù)目很簡單，只需要選定一根條紋進行跟蹤，記錄這根標記條紋經(jīng)過的位移，那么這根條紋的位移與條紋寬度值之比就是條紋的移動數(shù)目.

判斷條紋移動數(shù)目的關(guān)鍵問題是如何測量超量程(標記條紋移出視野范圍)的移動條紋.本實驗使用的方法如圖6所示.

圖6 超量程測量法示意圖

圖6中，x0為初始基準線，L為左跳躍邊界，R為右跳躍邊界，x1為跳回時的初始位置，x′為跳回后的峰值跟蹤位置，x為所跟蹤的峰值的實際位置.

實驗開始時，設(shè)置一條初始基準線x0.當跟蹤的直線到達R或者L的時候就立即跳回至x1，如果x1不是峰值位置，馬上尋找到最近的峰值x′，再接著跟蹤.假定跳回一次，則

x-R=x′-x1

那么實際直線的位移為

x-x0=(x-R)+(R-x0)=

x′-x1+(R-x0)=

(x′-x0)+(R-x1)

設(shè)置一個參量xSum，初始值為零.直線每跳回一次，將R-x1累加到xSum中，那么最終的公式為

x-x0=(x′-x0)+xSum

即這根條紋的總位移.條紋的位移與條紋寬度之比就是條紋移動的數(shù)目.

5 實驗結(jié)果

實驗過程界面圖如圖7和圖8所示.兩圖的右上角分別為實時描繪出的干涉條紋移動數(shù)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系圖，左下角的文本框?qū)崟r報告當前溫度(研究溫度特性時)及條紋的移動數(shù).研究溫度特性時，可根據(jù)需要由軟件設(shè)定每隔多少度自動記錄一次(圖7所示為每隔2 ℃記錄一次)；研究應(yīng)變特性時，一邊轉(zhuǎn)動螺旋微拉力器，一邊可直觀看到屏幕上報告的條紋移動數(shù)，根據(jù)需要點擊按鈕記錄數(shù)據(jù).實驗過程中，為了便于區(qū)分，在條紋向左移動的時候，在條紋的移動數(shù)前加“-”號，在條紋向右移動的時候，在條紋的移動數(shù)前加“+” 號.通過標準溫度計及人工方法用白屏讀條紋數(shù)比對，本系統(tǒng)實驗相對誤差小于5%,可滿足學生實驗的需要.

圖7 光纖溫度特性實驗結(jié)果

圖8 光纖應(yīng)力特性實驗結(jié)果

6 結(jié)束語

本實驗系統(tǒng)將光纖傳感與攝像頭、計算機等融為一體,注重與前沿科學技術(shù)之間的銜接，注重提升學生學習能力，加強科研及動手實踐環(huán)節(jié)的訓練，把學生從枯燥乏味的重復(fù)性觀測、讀數(shù)中解放出來，把精力放在實驗本身的理解與分析上，實驗效果好.有以下特點：

(1)用低成本的市售攝像頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人眼讀數(shù)或昂貴的線陣CCD；

(2)計算機自動記錄光干涉條紋的移動數(shù)；

(3)對于溫度傳感的實驗，利用溫度傳感器替代傳統(tǒng)溫度計，實時報告當前光纖溫度，讀數(shù)方便；

(4)計算機根據(jù)用戶設(shè)定，在屏幕上直觀地描出溫度與相位關(guān)系曲線圖和應(yīng)變與相位關(guān)系曲線圖；

(5)學生可在系統(tǒng)上做實驗報告，教師可在系統(tǒng)上批改實驗報告；

(6)將計算機輔助教學思想融入其中，實驗中的每一步及相關(guān)原理都在軟件中有恰當?shù)奶崾?，方便學生對實驗的分析和理解.

1 Zhao Yong, Wang Dan, et al. A novel optical fiber temperature sensor based on Fabry-Perot cavity, Microwave and Optical Technology Letters, 2013, 55(10):2 487～2 490

2 張正文. 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化：[學位論文].淮南：安徽理工大學,2016

3 宮順順,李麗君,蔣露,等. 一種全光纖Mach-Zehnder干涉式溫度傳感器設(shè)計. 中國新通信,2017(02):26～28

4 尚玉峰,吳重慶,劉學,等.光纖Mach-Zehnder空間干涉系統(tǒng)的實驗研究. 大學物理,2004,23(4):35～38

5 陳偉成,嚴偉國.基于邁克爾遜干涉儀的光纖傳感實驗.儀器儀表用戶,2010,17(2):69～70

6 廖延彪.光纖光學.北京：清華大學出版社，2001.11～32

7 彭保進,廖茂,廖延彪,等.光纖水聽器靈敏度測試的研究.光子學報,2005,34(11):1 633～1 638

8 彭保進,李勇,金洪震. 讓計算機與普通物理實驗“結(jié)緣”. 實驗室研究與探索,2001,20(5):37～40

9 李濤,戴玉堂,趙前程. 一種新型微結(jié)構(gòu)高靈敏度光纖溫度傳感器. 光電子·激光,2014(04):625～630

10 陳雪. 干涉型微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的傳感特性研究：[學位論文].深圳:深圳大學,2015