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        基于全光纖Fabry–Perot干涉的差分測振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-10-17 08:15:52梁洪衛(wèi)劉冬冬闞玲玲
        工程科學(xué)與技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)測量信號(hào)

        梁洪衛(wèi),劉冬冬,闞玲玲,蘇 皓

        (東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

        與傳統(tǒng)的光學(xué)測量方法相比,光學(xué)測量技術(shù)是指采用光纖作為介質(zhì)的光纖傳感器,通過測量光波特性參量的變化來獲得待測信息,它是一種重要的測量手段,具有非接觸式,傳輸信號(hào)損耗較少的特點(diǎn)。光纖F–P干涉儀具有體積小、質(zhì)輕、抗強(qiáng)磁場、能夠波分無用、價(jià)格合適的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于測量絕對(duì)距離[1–3]、位移[4–6]、振動(dòng)[7]、應(yīng)變[8–10]以及溫度[10–11]等參數(shù)。

        為了提高測振儀的精度,近年來眾多學(xué)者做了大量的研究。Gamgopadhyay等[12]設(shè)計(jì)了一種基于光纖外腔式的F–P干涉振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu),通過測量相位的改變來完成探測外界振動(dòng)。Zhang等[13]利用光纖內(nèi)部的正交偏振光實(shí)現(xiàn)解調(diào),并采用共光路的形式監(jiān)測環(huán)境影響,同時(shí)引入聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator,AOM)提高待測信號(hào)質(zhì)量,但是,引入AOM增大了系統(tǒng)的測量成本。Pullteap等[14]利用傳感臂產(chǎn)生兩個(gè)正交信號(hào),實(shí)現(xiàn)信號(hào)0.7~140.0 μm的動(dòng)態(tài)測量,目的是獲取正切相位,進(jìn)而解調(diào)出振動(dòng)位移。Li等[15]通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體閾值電流使兩路光電探測器(PD)信號(hào)相位相反,增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量,消除一定的環(huán)境干擾,達(dá)到平衡檢測的目的,然而,半導(dǎo)體光路易受電磁環(huán)境的影響。Zhang等[16]引入AOM進(jìn)行差分的外差干涉,通過雙路共用一個(gè)AOM有效抑制零點(diǎn)漂移情況,但增大了成本。Qi等[17]使用偏振分光鏡(polarization beam splitter,PBS)及波片搭建了相位相反的空間光路結(jié)構(gòu),有效抑制了噪聲對(duì)干涉信號(hào)的影響,然而,所搭建的空間光路時(shí)分立器件的結(jié)構(gòu)光路準(zhǔn)直過程較為復(fù)雜。此外,由于干涉臂中的光纖對(duì)環(huán)境干擾極其敏感,任何環(huán)境的擾動(dòng)都會(huì)帶來相應(yīng)的相位誤差;并且,如果對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理濾波,容易導(dǎo)致丟失一些微小信息,增大重構(gòu)誤差。

        基于上述問題,本文提出了一種基于相位相反結(jié)構(gòu)的全光纖干涉振動(dòng)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光纖耦合器構(gòu)造中兩臂光電探測器輸出信號(hào)相位相反的特點(diǎn),將兩路信號(hào)進(jìn)行差分處理,借此增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量,降低共模噪聲對(duì)干涉信號(hào)的影響,提高待測信號(hào)的信噪比,使該儀器更適合于大噪聲下的位移振動(dòng)測量;并且,該系統(tǒng)采用全光纖器件,更適合在強(qiáng)磁強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中傳輸干涉信號(hào),易校準(zhǔn)光路。

        1 差分系統(tǒng)的構(gòu)成

        1.1 F–P干涉的理論分析

        光纖F–P干涉儀能夠在一根根光纖上實(shí)現(xiàn)多光束干涉?zhèn)鞲袦y量,在光纖傳輸過程中,空腔可由光纖端面和傳感物體表面構(gòu)成并形成多次反射[18],具體如圖1所示。

        圖1 光纖F–P干涉原理圖Fig. 1 F–P interference schematic diagram

        圖1中,當(dāng)激光光源通過耦合器照射到振動(dòng)物體表面時(shí),由于光纖端面存在反射率(約4%),當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),F(xiàn)–P干涉可以等效成雙光束干涉模型,那么,檢測到的輸出功率和相位可表示為[18–19]:

        式中:I為光電探測器檢測到的功率;I0為初始功率;φs和φr分別為光初相和反射光相位;V為條紋深度;d為外腔變化量即外部振動(dòng)物體位移變化;n為傳播介質(zhì)的折射率,由于是空氣腔,故n=1;λ為激光的波長;θ為平行入射角, θ=0。

        1.2 差分結(jié)構(gòu)分析

        在噪聲環(huán)境下,直接提取信號(hào)并進(jìn)行重構(gòu)會(huì)有很大的誤差;但如果對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行濾波,濾波參數(shù)的選擇會(huì)影響干涉信號(hào)的波形,甚至導(dǎo)致一些細(xì)節(jié)信息削弱甚至消失[20];然而,差分只是減少了信號(hào)的共模噪聲,極大程度保留了信號(hào)信息,減少環(huán)境和光源擾動(dòng)帶來的影響[21]。

        n×n單模耦合器可以概括成無損耗,對(duì)稱可逆網(wǎng)絡(luò)的2n端口,由于它的散射矩陣是酉矩陣可以證明2×2耦 合器的兩個(gè)輸出臂有π/2的相位差[22–23]。

        當(dāng)光源注入進(jìn)光纖耦合器時(shí),因?yàn)榻徊骜詈鲜沟幂敵龆说闹蓖ū酆婉詈媳鄞嬖讦?2的相位變化。當(dāng)干涉光再次進(jìn)入耦合器時(shí),依舊存在π/2的相位延遲,如圖2所示。

        圖2 信號(hào)光延遲示意圖Fig. 2 Schematic diagram of signal optical delay

        設(shè)激光器初始光強(qiáng)為E0:

        如圖3所示,當(dāng)入射光經(jīng)過第1個(gè)3 dB耦合器C1,再進(jìn)入直通臂和耦合臂時(shí),兩束光的光強(qiáng)表示為:

        圖3 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig. 3 Experimental principle figure

        當(dāng)Ea進(jìn)入環(huán)形器1口,順序傳輸至2口,照射到振動(dòng)物體表面并形成穩(wěn)定的F–P干涉后,傳輸至3口。由于環(huán)形器端口傳輸?shù)牟豢赡嫘裕缮婀獠⒉荒軓?口傳回至1口而影響光源輸出,此時(shí),耦合器C2的輸入端信號(hào)光強(qiáng)分別表示為:

        經(jīng)C2傳輸后,光強(qiáng)分別是:

        經(jīng)過合成,耦合器C2的兩個(gè)輸出功率表示如下:

        由于光的頻率過高,探測器并不能響應(yīng)高頻部分,故式(12)、(13)可化簡為:

        因此,探測器1和探測器2所采集到的信號(hào)功率差值I?為:

        式中,A1、A2、A3、B1與 光強(qiáng)E0有關(guān)。

        2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

        為了進(jìn)一步證明所提系統(tǒng)的有效性,按照?qǐng)D3結(jié)構(gòu)搭建實(shí)驗(yàn)裝置,在鏡面反射和粗糙面反射兩種情況下進(jìn)行振動(dòng)位移測量實(shí)驗(yàn)。該裝置由1個(gè)分布式光纖激光器(distributed feedback,DFB,其內(nèi)置隔離器)、兩個(gè)3 dB光纖耦合器、1個(gè)三端口環(huán)形器、兩個(gè)光電探測器(PD1和PD2)、1個(gè)壓電陶瓷振動(dòng)晶體(PZT)、1個(gè)數(shù)據(jù)采集卡(national instrument,NI,型號(hào)USB–4431)組成。

        當(dāng)DFB光源通過耦合器C1分成兩束光,一路,經(jīng)環(huán)形器2口照射到PZT振動(dòng)面并發(fā)生反射,在光纖端面與振動(dòng)面之間形成F–P空腔并發(fā)生穩(wěn)定干涉后,經(jīng)環(huán)形器3端口傳輸至耦合器C2內(nèi);另一路,直接傳輸至耦合器C2。這兩束光在耦合器C2內(nèi)混合后分別被PD1和PD2探測并轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)被數(shù)據(jù)采集卡采集,之后,傳送到電腦進(jìn)行后續(xù)差分信號(hào)處理。

        用頻率為5 Hz、幅度為2 μm的PZT鏡面正弦運(yùn)動(dòng)模擬理想環(huán)境下的振動(dòng)測量,其中,采樣頻率為50 kHz。

        圖4展示了PZT正弦運(yùn)動(dòng)曲線、PD1和PD2采集的光強(qiáng)信號(hào)、其對(duì)應(yīng)的差分處理信號(hào)。

        圖4 鏡面干涉信號(hào)及后續(xù)相減所得的差分信號(hào)Fig. 4 Specular interference signals and differential signal obtained by subsequent subtraction

        圖5展示了PD1、PD2、差分重構(gòu)位移信號(hào),以及對(duì)應(yīng)的誤差分析。由圖5可知,經(jīng)差分計(jì)算后的重構(gòu)誤差減少了6 nm,且平均誤差減少了8 nm。

        圖5 鏡面重構(gòu)信號(hào)位移及其誤差Fig. 5 Signal displacements and error of mirror reconstruction

        用3M反光貼紙代替鏡子,做頻率5 Hz、振幅1.4 μm的PZT粗糙面正弦運(yùn)動(dòng),得到如圖6所示的粗糙面干涉信號(hào)。

        圖6展示了PZT運(yùn)動(dòng)曲線、PD1和PD2采集的光強(qiáng)信號(hào),以及對(duì)應(yīng)的差分處理信號(hào)。圖7展示了PD1、PD2、差分信號(hào)的粗糙面位移重構(gòu)信號(hào),以及對(duì)應(yīng)的誤差分析。

        圖6 粗糙面下干涉信號(hào)及后續(xù)相減所得的差分信號(hào)Fig. 6 Interference signals under rough surface and differential signal obtained by subsequent subtraction

        圖7 粗糙面重構(gòu)信號(hào)位移及其誤差Fig. 7 Signal displacements and error of reconstructed rough surface

        為了更直觀比較,將圖5和7中鏡面反射和粗糙面反射下重構(gòu)的最大誤差、平均誤差結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示。

        表1 PD1、PD2及差分后平均誤差和最大絕對(duì)誤差對(duì)比Tab. 1 Comparison of mean error and maximum absolute error after PD1, PD2 and difference

        由圖7和表1可知,差分的曲線波動(dòng)較小更為平緩,更接近零點(diǎn)曲線,經(jīng)計(jì)算重構(gòu)的平均誤差降低了7 nm,最大誤差從原來的196 nm降低至156 nm。

        3 結(jié) 論

        本文提出了一種基于全光纖F–P測振消噪結(jié)構(gòu),利用光通過耦合器傳輸中產(chǎn)生的相位變化推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)中輸出兩臂信號(hào)相位相反,相減獲得的差分信號(hào)能夠減少共模噪聲,增強(qiáng)信號(hào)幅度。通過PZT鏡面正弦運(yùn)動(dòng)、PZT粗糙面正弦運(yùn)動(dòng)分別模擬了理想環(huán)境和噪聲環(huán)境下的振動(dòng)位移測量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,最大重構(gòu)誤差降低了0.4%,該結(jié)構(gòu)能夠降低噪聲對(duì)待測信號(hào)的影響,提高重構(gòu)信號(hào)的精度。全光纖結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境更為敏感,將該系統(tǒng)小型化,使其適用于各種噪聲環(huán)境是今后的一個(gè)研究方向。

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