王心愿

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津 300220)

0 引 言

光纖法布里-珀羅傳感器(簡(jiǎn)稱 F-P傳感器)具有體積小、靈敏度高、不受電磁場(chǎng)和惡劣環(huán)境影響、適合于遠(yuǎn)程信號(hào)處理以及可以復(fù)用等眾多優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用設(shè)施上得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。在光纖 F-P傳感測(cè)量系統(tǒng)中，最重要的部分是腔長(zhǎng)解調(diào)部分，它直接影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測(cè)量準(zhǔn)確性。

光纖法珀壓力傳感系統(tǒng)由光纖壓力傳感器和解調(diào)模塊構(gòu)成。光纖壓力傳感器基于光纖法布里-珀羅干涉儀，也就是平行平板的多光束干涉原理，若采用微加工技術(shù)制作光纖法珀傳感器，可使其尺寸更小，重量更輕，且光纖法珀傳感器具有不受電磁干擾、無電磁反射、屬于電無緣器件、危險(xiǎn)性小、耐惡劣環(huán)境、可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。光纖壓力傳感器由壓力膜片、光纖(光纖包層直徑 125μm)和傳感器體(可小至1.8mm)組成。壓力膜片和光纖端面構(gòu)成法布里-珀羅干涉腔的 2個(gè)反射面，光纖用于光信號(hào)的輸入、輸出，傳感器體用于光纖定位和提供膜片支撐。當(dāng)外界壓力作用于壓力膜片時(shí)，壓力膜片產(chǎn)生變形，與光纖端面的距離發(fā)生變化，從而將壓力信息調(diào)制在法珀腔長(zhǎng)上。通過選擇相應(yīng)的壓力膜片厚度和支撐半徑等參數(shù)，可以適應(yīng)不同壓力測(cè)量范圍，也可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力測(cè)量[3]。

對(duì)傳感器腔長(zhǎng)的解調(diào)，可以在波長(zhǎng)域進(jìn)行，如傳統(tǒng)的峰峰法解調(diào)，但是傳統(tǒng)的峰峰法具有解調(diào)速度慢的缺點(diǎn)，因此我們選擇采用多個(gè)F-P傳感器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)解調(diào)。

1 解調(diào)原理

強(qiáng)度解調(diào)法是較早得到應(yīng)用的一種解調(diào)方法。圖1為法珀腔輸出光強(qiáng)與法珀腔腔長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線。當(dāng)傳感器腔長(zhǎng) L的變化量很小，且變化范圍小于λ/4(如圖中腔長(zhǎng)范圍在Δ的區(qū)域內(nèi))時(shí)，傳感器的輸出光強(qiáng)I與腔長(zhǎng)L之間呈線性關(guān)系，若測(cè)量出傳感器的光強(qiáng)值 I，根據(jù)光強(qiáng)與腔長(zhǎng)之間的關(guān)系，就可以解調(diào)出傳感器的腔長(zhǎng)L[3]。

圖1 強(qiáng)度與腔長(zhǎng)關(guān)系圖Fig.1 Relation between strength and cavity length

當(dāng)寬帶光源在光纖中傳播通過耦合器后，接著進(jìn)入法布干涉器，在介質(zhì)的上下表面產(chǎn)生多次反射與透射，產(chǎn)生多光束的平行平板干涉現(xiàn)象，再經(jīng)過耦合器被光譜儀接收。當(dāng)上下表面的反射率為 R，距離為 l，入射波長(zhǎng)為λ，初始光強(qiáng)為 I0，根據(jù)多光束的干涉原理，其反射光強(qiáng)Ir分布為[4]：

當(dāng)反射率 R的值接近于 0時(shí)，反射光強(qiáng)的分母項(xiàng)將接近于 1，可以用雙光束干涉來近似多光束干涉，則式(1)可變換為式(2)：

且光波長(zhǎng)λ與光頻率v、光速c有著以下關(guān)系：

所以將式(3)代入式(2)可以得到：

強(qiáng)度解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要包括光源、耦合器、傳感器以及光電探測(cè)器。從理論上講強(qiáng)度解調(diào)法比較簡(jiǎn)單，只要使系統(tǒng)確保傳感器輸出光強(qiáng)和腔長(zhǎng)之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，就可以進(jìn)行腔長(zhǎng)的解調(diào)。這使得該方法的解調(diào)精度依賴于光源的穩(wěn)定性，但受溫度等因素的影響，光源的波長(zhǎng)和輸出功率都會(huì)產(chǎn)生變化，所以強(qiáng)度解調(diào)法解調(diào)精度通常較低[3]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure

2 結(jié)果分析

據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)腔長(zhǎng)變化信息超過單個(gè)傳感器量程時(shí)，即光程差變化超過 2倍腔長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生腔長(zhǎng)解調(diào)錯(cuò)誤。故使用多個(gè)傳感器共同解調(diào)，選擇不同量程的 F-P傳感器，大量程的傳感器只提供是否產(chǎn)生2倍腔長(zhǎng)變化的信息，小量程高精度的傳感器提供確定的、精密的腔長(zhǎng)信息。因此，此種方法既可以提高強(qiáng)度解調(diào)法的運(yùn)算速度，也可以保持解調(diào)的精度。如圖3所示，讓2個(gè)傳感器測(cè)量同一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的壓力信息。小量程傳感器壓力量程為 50，此時(shí)光強(qiáng)為 2；大量程傳感器壓力量程為 100時(shí)光強(qiáng)為 2，壓力為 50時(shí)光強(qiáng)為1。

圖3 傳感器壓力與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relation between sensor pressure and light intensity

小量程傳感器在其量程內(nèi)，由公式(4)可以得到腔長(zhǎng)與光強(qiáng)的關(guān)系。當(dāng)超過量程時(shí)，即在 T1時(shí)刻，小量程傳感器光強(qiáng) I2為 1，若只有單個(gè)傳感器參考，則會(huì)把壓力信息解調(diào)錯(cuò)誤(解調(diào)結(jié)果為 23，實(shí)際為73)。但是若有大量程傳感器作參考，只要判斷大傳感器的光強(qiáng)是否大于小量程傳感器的最大量程時(shí)大傳感器的光強(qiáng)，即在 T1時(shí)刻，判斷 I1是否大于 1：若大于則說明大傳感器壓力超過 50，小流量傳感器壓力超過50。此時(shí)由公式(4)得到：

若沒有超過(小于)，則：

此方法有助于保證解調(diào)精度，擴(kuò)大傳感器的測(cè)量范圍，且提高了解調(diào)時(shí)間，操作實(shí)施簡(jiǎn)單，為今后更高質(zhì)量的傳感測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建提供了解決途徑。