相位調制全光纖Mach-Zehnder干涉儀傳感實驗

梁昌林,吳念樂,張連芳,王長江

(清華大學實驗物理教學中心,北京100084)

相位調制全光纖Mach-Zehnder干涉儀傳感實驗

梁昌林,吳念樂,張連芳,王長江

(清華大學實驗物理教學中心,北京100084)

使用單模石英光纖設計了相位調制全光纖M-Z干涉儀傳感實驗系統,采用CCD技術顯示干涉條紋的空間分布及其移動情況,同時利用光電檢測及可逆計數技術實現移動條紋的自動計數.利用該系統進行了光纖溫度傳感、光纖應變傳感原理性實驗測試.

光纖;Mach-Zehnder干涉儀;溫度傳感;應變傳感

1 引 言

隨著現代科學技術的發展以及創新型人才培養教育理念的貫徹實施,將現代科學技術的新概念、原理以及相關技術引入實驗物理教學具有重要意義.光纖傳感是伴隨著光導纖維及光通信技術的發展,于20世紀70年代末開始逐漸形成的新型傳感技術[1-5].本文通過對光纖傳感及干涉測量技術的研究,設計制作了適合于物理實驗教學的相位調制全光纖Mach-Zehnder(簡記為MZ)干涉傳感原理實驗測量系統.利用該系統可進行光纖溫度傳感、應力應變傳感等原理性實驗教學,以達到使學生了解光纖傳感的基本概念及其應用,進一步理解物理學、波導光學等學科的相關原理理論,學習光纖光路的調整和干涉測量技術等實驗教學目的.

2 相位調制光纖傳感原理及實驗系統設計

相位調制光纖傳感的基本原理是通過被測量與光纖的相互作用,使光纖內傳輸的光波的相位發生變化即被調制,再利用干涉測量技術把相位變化轉換為光強度的空間分布變化,從而檢測出待測的物理量.

本文利用單模石英光纖構造具有透明、開放式結構的相位調制全光纖M-Z干涉儀傳感實驗測量系統,并且采用CCD技術直觀顯示干涉條紋的空間分布及其移動情況,同時利用光電檢測及可逆計數技術實現移動條紋的自動計數.實驗裝置結構如圖1所示,主要包括3部分:全光纖M-Z干涉儀系統、相位調制系統和干涉條紋顯示計數系統.

圖1 相位調制全光纖Mach-Zehnder干涉傳感實驗系統結構示意圖

2.1 全光纖M-Z干涉儀系統

全光纖M-Z干涉儀系統主要由光纖耦合透鏡和3 dB單模光纖耦合器以及單模光纖構成.M-Z干涉儀的一路光纖作為參考光路,另一路光纖作為傳感光路,并在傳感光路中設置光纖開放接口,以便于更換傳感光纖.兩路光纖的光出射口端相互靠近,并固定于暗盒中.整個光纖干涉儀除傳感光纖以外,其余部分均置于透明有機玻璃箱體內,并采取必要的減震、隔熱等措施,以避免周圍環境因素對實驗的影響.

從He-Ne激光器發出的激光通過光纖耦合透鏡及傳輸光纖后,經3 dB光纖耦合器分成等強度的兩束光,分別進入參考光纖和傳感光纖.傳輸過程中保持兩束光的偏振態不發生改變.從端口出射的兩束光在空間相遇產生干涉,得到明暗相間的干涉條紋.

2.2 相位調制系統

光的調制是光纖傳感的核心.光纖相位調制的基本物理效應包括應力應變效應和溫度效應.其中應力應變效應是導致光相位改變的最基本的物理效應.應力應變傳感裝置結構模型原理如圖2所示.

圖2 光纖應變傳感相位調制模型原理結構示意圖

厚度為d的橫梁對稱地放置在中心間距為l、半徑為 r的兩固定圓柱之間,接觸面可沿固定圓柱表面自由滑移.剝去外包層的裸光纖對稱地緊貼在橫梁一側表面,并在左右兩點固定,2個固定點之間的感應光纖長度為L.利用螺旋測微桿對橫梁另一側表面中點O施加應力,使橫梁向固定有光纖的一側凸起發生彎曲變形.此時橫梁的上半部分受到張應力而伸長,下半部分受到壓應力而縮短.由于傳感光纖緊貼于橫梁的表面且與橫梁表面固定,因此橫梁的彎曲形變對光纖產生應力作用,從而對光的相位產生調制.這時,光纖主要受到橫梁彎曲所提供的縱向應力作用,傳感光纖L段的改變量應等于橫梁上表面L段的表層伸長量.設外力作用下橫梁下表面中點O所移動的距離為Δh(可由螺旋測微桿測得).考慮到l?(d+2r),在Δh較小時,橫梁的彎曲面可近似看成圓弧面,上表面L段的表層伸長量可由其幾何關系近似得出:

對于均勻、各向同性的單模石英光纖,在縱向應力作用下只產生縱向應變效應和彈光效應,泊松效應很弱,可以忽略.因此由彈性光學理論可得到光波相位的改變量為

其中λ0為光在真空中的波長,L和n分別為光纖的長度和折射率,ε3=ΔL/L為光纖的縱向應變,P12為光纖光彈性張量的 Pockel系數[2-3].將(1)式代入(2)式,得到

光纖溫度傳感系統由可控熱源、溫度計、光纖溫度傳感探頭構成.可控熱源可以設定所需加熱的溫度,在室溫至100℃范圍內提供均勻穩定、干燥的溫度場.傳感光纖去掉包層后纏繞在圓片金屬支架上,置于溫度場中.光纖傳感的溫度效應主要是熱脹冷縮造成的光纖幾何長度L的改變和溫度變化所引起的光纖折射率n的改變,從而導致光纖中光波相位的改變.溫度場的作用等效于應力應變場的作用,通常采用下式計算溫度效應引起的相位變化

其中L(T0)和 n(T0)分別為在 T0溫度時光纖的長度和折射率,α1為光纖的線性熱膨脹系數,CT為光纖的光學折射率溫度系數[3].

2.3 條紋顯示計數系統

調制后的光信號必須進行解調,方可得到被測量的信息.由于響應頻率的限制,目前光探測器只能探測光強度信號,而不能夠直接探測光波的相位信號,因此需要利用光干涉方式,將光波的相位信號轉換成強度信號,完成相位的解調才能夠進行檢測,即干涉測量.干涉測量是相位調制光纖傳感的關鍵技術.利用M-Z干涉儀,可實現相位調制信號的解調.當被測量發生改變時,因調制作用所引起的兩相干光之間的相位差Δφ也隨之變化.Δφ的變化直接改變了干涉域光強的分布,使得干涉條紋在空間產生移動.相應,如果檢測到干涉光強分布的變化就可以確定2束光之間的相位差的變化,根據其對應關系得到待測物理量的大小.因此,對于應變傳感,由(3)式可得條紋移動數目N與螺旋測微桿的移動距離Δh之間滿足

對于溫度傳感,由(4)式可得條紋移動數目 N與溫度T之間滿足

即條紋移動數目 N與T或Δh間均呈線性關系.

干涉條紋計數顯示系統由CCD、光電檢測電路及自動可逆計數器組成(見圖1).干涉域的一部分光經平面反射鏡反射后照射到CCD上,CCD采集干涉條紋圖像并轉換為視頻信號,輸入顯示器放大顯示干涉條紋圖像及其移動情況;另一部分干涉光直接照射到1對帶有狹縫的光電二極管上,進行光電信號檢測轉換,再經放大、濾波、整形電路處理后送入可逆計數器,自動記錄干涉條紋移動的數目.

3 實驗測試及分析

對所制作的全光纖M-Z相位調制干涉傳感實驗系統進行實驗測試.光纖應力應變傳感裝置結構參量為:d=3.351 mm,L=280.0 mm,l=300.0 mm,2r=5.40 mm.輕輕緩慢旋轉螺旋測微桿,每旋進(或后退)0.500 mm記錄1次移動條紋計數 N.測微螺桿總的行程為5.500 mm.多次進退重復測量,移動條紋計數N取平均值.

采用最小二乘法對 N-h關系進行直線擬合如圖3所示,N=65.042(16.648-h),線性相關系數為0.999 96,表明條紋移動數 N與測微桿讀數h之間呈線性關系,亦即相位調制改變量Δφ與微應變ΔL呈良好的線性關系,與(3)式結論一致.直線擬合所得斜率為65.042 mm-1,對應相位調制光纖應變傳感系數為9.792 rad/μm,即光纖長度每產生1μm形變,有1.558個條紋發生移動.He-Ne激光波長λ0=0.632 8μm,石英傳感光纖的參量[2]n(25℃)=1.458,P12=0.274,代入(2)式計算得到相位調制光纖應力應變傳感綜合系數為10.26 rad/μm.測試結果與理論計算結果相差4.6%,二者基本一致,應變傳感裝置設計合理.

圖3 相位調制光纖應變傳感N-h實驗測試關系曲線

應力應變傳感實驗測量誤差主要來自測試環境因素以及裝置加工制作精度的影響.由于傳感系統對溫度、震動等十分敏感,因此測量過程中環境溫度的變化以及氣流波動、操作抖動等都會引起測量的隨機誤差.另外實驗裝置結構參量 d,l,L以及r等的設計加工精度,也造成了實驗測量的系統誤差.

光纖溫度傳感測試采用WN Y-150A型數字測溫儀來測量熱源溫度場的溫度(最小分度值為0.1℃).從30℃開始,溫度每升高5℃記錄1次條紋移動數 N,熱源最高溫度設定在65℃.重復測量5次,取N的平均值.

同樣采用最小二乘法對 N-T關系進行直線擬合,如圖4所示,N=-384.6+12.77 T,線性相關系數為0.999 68,表明條紋移動數 N(對應溫度場對光纖相位的調制)與溫度 T呈良好線性關系,與(6)式的結論一致.直線擬合的斜率為12.77℃-1.考慮到溫度傳感光纖引入熱源的實際分布,合理估計其有效感應長度約為0.550 m,則實驗測得的光纖溫度傳感相位調制靈敏度為145.9 rad/(℃·m),即對于1 m長的光纖,溫度每改變1℃,將會移動23.22個條紋.取石英光纖的參量[2-3]n(25 ℃)=1.458,α1=5.5×10-7℃-1,CT(λ0=0.632 8μm)=0.662×10-5℃-1,代入式(4)可得光纖溫度傳感相位調制靈敏度為103.8 rad/(℃·m).

圖4 相位調制光纖溫度傳感N-T實驗測試關系曲線

實驗測得的光纖溫度傳感相位調制靈敏度遠大于按(4)式計算的結果.究其原因主要為:

1)傳感光纖的有效長度除了置于熱源內部的部分之外,還包括處于溫度場邊緣的部分,因此實際參與溫度感應的光纖長度大于處于熱源內部的光纖長度;

2)傳感光纖由于彎曲引起光纖折射率及其分布發生改變,使其隨溫度的變化特性與自由伸展的光纖折射率變化不一致,從而導致偏離理論關系[6-7];

3)傳感光纖金屬支架的熱脹效應對傳感光纖產生的應力作用所造成的影響;

4)測量過程中由于室內空調、操作者以及恒溫熱源等的影響使環境溫度隨時間而發生改變,影響測量結果.

因此增加溫度感應光纖的有效長度,實驗中保持其余光纖光路的溫度穩定等對獲得準確合理的實驗結果非常重要.

4 結束語

本文通過對相位調制光纖傳感及干涉測量技術的研究,設計制作了相位調制全光纖M-Z干涉傳感教學實驗測量系統.經過多次實驗測試,系統性能穩定,各項指標均達到預期目標.透視化結構使得實驗光路及工作原理直觀明了,開放的光路便于實驗項目的轉換和擴充,非常適合于實驗教學.干涉條紋圖像化顯示與移動條紋自動計數二者結合,使得實驗現象直觀明顯,并可實現快速變化或大范圍測量的實驗過程,無需暗室環境或者借助顯微儀器進行觀測,教學和實驗操作更加方便.應力應變傳感裝置設計精巧,通過梁的彎曲變形實現了微應變過程,原理簡單、完善,可實現定量測量.通過該實驗系統的教學,可以激發學生的學習興趣,使學生了解光纖傳感這一現代新型傳感測試技術,進一步掌握相關的物理學基本概念和原理,了解光纖相位調制和解調的物理過程與方法,并得到光路調節、實驗誤差分析、思路擴展等科研技能的基本訓練.

[1]Grattan K T V,Sun T.Fiber op tic sensor technology:an overview[J].Senso rs and Actuato rs,2000,82:40-61.

[2]孫圣和,王廷云,徐穎.光纖測量與傳感技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2000.

[3]苑立波.光纖實驗技術[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2005.

[4]姚建永,張森.光纖Mach-Zehnder干涉儀系統[J].大學物理,2008,27(5):37-40.

[5]張權,朱玲,孫晴,等.光纖干涉系列實驗教學的探索與實踐[J].物理實驗,2009,29(1):21-23.

[6]苑立波.溫度和應變對光纖折射率的影響[J].光學學報,1997,17(12):1 713-1 717.

[7]蔡春平.光纖折射率的依賴因素[J].應用光學,2000,21(5):13-18.

[責任編輯:任德香]

Phase-modulated fiber optic sensing experiment

L IANG Chang-lin,WU Nian-le,ZHANG Lian-fang,WANG Chang-jiang
(Department of Physics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

A set of teaching experiment system for phase-modulated fiber op tic sensing is designed by using M ach-Zehnder interferometer,CCD,photo electronic detecting and reversible counter techniques.The temperature and strain sensing p roperties of the system are tested.

fiber;M ach-Zehnder interferometer;temperature sensing;strain sensing

O436.1

A

1005-4642(2010)11-0001-04

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-18;修改日期:2010-08-07

梁昌林(1972-),男,甘肅會寧人,清華大學實驗物理教學中心工程師,博士,主要從事大學物理實驗教學及薄膜材料與納米材料研究工作.