光纖干涉測量技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

姚 堯，王志鵬，田郁郁，程 鵬，鞏 瑩

（1 天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192）

（2 國網(wǎng)天津市電力公司培訓(xùn)中心，天津 300170）

1 引言

光纖干涉測量，基于相位調(diào)制的原理，利用待測體敏感單元的作用，使在其中傳播光路的相位發(fā)生變化，兩光線發(fā)生干涉作用，檢測干涉條紋的變化來計算相位變化量，進(jìn)而得到被測對象的信息[1]。

2 光纖干涉?zhèn)鞲衅鳒y量應(yīng)用領(lǐng)域

光纖干涉?zhèn)鞲衅鳒y量已經(jīng)應(yīng)用到溫度、壓力、磁場、位移、速度等物理量的測量，文中將圍繞其中幾方面重點闡述光纖干涉技術(shù)的應(yīng)用及未來的發(fā)展方向。

2.1 溫度測量

光纖干涉溫度傳感器利用溫度變化來改變干涉儀的干涉條紋[2]，如M-Z干涉儀、F-P干涉儀、薩格納克效應(yīng)干涉儀等。

由于溫度變化會引起相位變化。假設(shè)折射率在環(huán)境溫度場中保持恒定，由于泊松效應(yīng)引起的光纖直徑變化而產(chǎn)生的波導(dǎo)傳播常數(shù)變化忽略不計[3]，那么光纖中的相位變化隨溫度變化為：。

2.2 壓力測量

光纖技術(shù)應(yīng)用于壓力測量的光纖應(yīng)變傳感器，以光信號為傳播載體，常用的壓力測量方法主要基于光彈效應(yīng)、微彎效應(yīng)、F-P干涉腔等等[4]。

圖1 傳統(tǒng)F-P干涉儀結(jié)構(gòu)簡圖

F-P干涉儀結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，圖1顯示為結(jié)構(gòu)簡圖。入射光纖與反射光纖兩端面M1、M2鍍膜包覆于石英毛細(xì)管中，通過熔接形成F-P干涉腔。光線從入射光纖左側(cè)進(jìn)入，通過端面M1后一部分反射形成一束干涉光。另一部分光線繼續(xù)傳播至端面M2后反射形成另一束干涉光，此光線再透過端面M1繼續(xù)傳播進(jìn)入入射光纖，與第一束光發(fā)生干涉作用。當(dāng)有外界壓力作用于光纖，F(xiàn)-P干涉腔的長度產(chǎn)生隨即改變。

若單一波長的入射光經(jīng)過F-P腔后返回至入射光纖的干涉光強(qiáng)為：。

2.3 磁場測量

光纖光柵磁場傳感器，利用法拉第磁光效應(yīng)原理，使光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。恒定或低頻外磁場會破壞晶體的對稱性，在光波的傳播方向上施加某磁場，其偏振面隨光振動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并滿足公式：。

2.4 位移測量

一束激光A通過擴(kuò)束鏡B，經(jīng)兩此D、E兩反射面反射后匯合產(chǎn)生干涉條紋，如圖2所示，反射鏡D固定，反射鏡E可在光線傳播方向上移動，移動后的反射鏡E′與E間的間距為L，F(xiàn)為干涉條紋分布場，物體位移量可由公式計算[9]。其中，為變化的干涉條紋個數(shù)，為介質(zhì)折射率，此方法可以在光波波長數(shù)量級范圍內(nèi)測量微小角度或位移變化。

圖2 干涉型光纖位移測量原理圖

3 典型實例

3.1 光纖傳感器在溫度測量領(lǐng)域的應(yīng)用

以目前廣泛使用的Mach-Zehnder光纖溫度傳感器為例，如圖3所示。

圖3 Mach-Zehnder光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

Mzch-Zehnder光纖由一束激光器發(fā)出一束激光，前置一擴(kuò)束器，經(jīng)擴(kuò)束器的光纖再經(jīng)分束器分別經(jīng)顯微物鏡聚焦，進(jìn)入兩根相同長度的單模光纖，最終兩束單模光纖在匯聚處發(fā)生干涉作用，通過由光電轉(zhuǎn)換、差分放大器、低通濾波器所組成的光電探測系統(tǒng)識別。這兩束光纖其中一根放置于恒溫器中，其光程不產(chǎn)生變化，另一束光纖置于待測溫度場中，其長度和折射率均隨溫度場的溫度變化而改變，兩光纖中傳輸光的相位差發(fā)生改變，干涉條紋發(fā)生移動，光電探測系統(tǒng)識別到的光強(qiáng)周期性變動，進(jìn)而識別到溫度場的溫度變化。

3.2 光纖傳感器在壓力測量領(lǐng)域的應(yīng)用

將光纖光柵壓力傳感片的光柵平行或垂直貼在應(yīng)變體上進(jìn)行壓力測量，當(dāng)光纖光柵受到由壓力變化而產(chǎn)生的擠壓時，光纖干涉引起光線的布拉格中心波長變化，通過對中心波長的調(diào)制解調(diào)得到壓力變化[10]。測量原理圖如圖4所示。

圖4 光纖壓力測量應(yīng)用原理圖

除了直接將傳感片貼在應(yīng)變體上以外，北京航空航天大學(xué)高分子及復(fù)合材料系教授張博明還研究了一種符合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于動態(tài)壓力測量系統(tǒng)，此方法應(yīng)用于汽車稱重系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，運動中的汽車速度達(dá)50km/h時，質(zhì)量為2810.3kg的汽車在行駛中的壓力測量誤差約為0.56%；速度達(dá)60km/h時，質(zhì)量為2548.6kg的汽車在行駛中的壓力測量誤差約為8.81%[11]。高德文等人研究了光纖光柵徑向壓力作用下的稱重系統(tǒng)，實驗證明光纖光柵在徑向壓力作用下產(chǎn)生雙折射效應(yīng)[12]，當(dāng)光纖光柵軸向壓力為零時，布拉格中心波長移動是有效折射率的單函數(shù)，其波長移動量變化與徑向載荷具有線性關(guān)系，測量波長變化可檢測壓力。

4 光纖干涉?zhèn)鞲衅魑磥戆l(fā)展方向

4.1 滿足干涉條件的光源需要有一定的穩(wěn)定度

若光波頻率不穩(wěn)定，則會產(chǎn)生很大的噪聲，隨光波頻率的減小，此噪聲會相對增大，隨干涉儀光程差的增大而增加，由此會產(chǎn)生無法區(qū)別于被測信號的干擾信號。為滿足相干長度，激光光源的線寬必須很窄。光線返回光源輸入端會使輸出光頻率不穩(wěn)定，線寬加寬，產(chǎn)生過大的噪聲。使用中通常在耦合器至激光器之間加入光隔離器，隔離光線對激光器光源的影響[13]。

4.2 相位衰落現(xiàn)象需要迫切解決

當(dāng)外界擾動時，光纖干涉?zhèn)鞲衅鬏敵鱿辔徽{(diào)制信號，檢測該信號的變化，即可測得被測信號。光纖干涉?zhèn)鞲衅鳙@得的轉(zhuǎn)換信號與被測信號成非線性關(guān)系，容易被機(jī)械擾動、溫度漂移因素影響，出現(xiàn)相位衰落現(xiàn)象使得傳感器輸出信號夾雜更多噪聲。因此近年來也相繼產(chǎn)生了多種抗相位衰落的信號檢測方法，如PGC調(diào)制解調(diào)、相位跟蹤檢測、差分延遲外差(DDH)、合成外差(SHET)、光程補(bǔ)償外差(OPCH)等等。

4.3 傳統(tǒng)的信號檢測方法需要突破

干涉型光纖傳感器的原理就是將微弱的光信號轉(zhuǎn)化成正更容易檢測的電信號。由于從輸入信號、光電轉(zhuǎn)換、傳輸過程中每一步都會產(chǎn)生干擾而導(dǎo)致各種隨機(jī)相移，通過放大增益將噪聲信號放大，噪聲信號比被測信號產(chǎn)生的相位調(diào)制信號大很多，這就要求改進(jìn)傳統(tǒng)光信號檢測方法，避免在噪聲信號中提取微弱光信號的過程。

4.4 多路復(fù)用技術(shù)

在現(xiàn)實檢測環(huán)境中，單一的傳感器很難獲得待測信號很全面的信息，必要時需要結(jié)合多種復(fù)用技術(shù)[14]構(gòu)成二維傳感器。通過對光源、光纖、傳輸系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等的復(fù)用，用盡量少的組件構(gòu)成低成本的二維傳感器是今后光纖干涉?zhèn)鞲衅鳂O具前景的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

文中通過解析光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯脑恚Y(jié)合實例介紹現(xiàn)代光纖干涉測量技術(shù)的應(yīng)用，雖然光纖干涉測量技術(shù)種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域眾多，但是它作為一種新型的科技手段，也存在很多待解決的問題，如光源穩(wěn)定度引起的噪聲、相位衰落、傳統(tǒng)信號檢測方法的瓶頸、多路復(fù)用技術(shù)難以結(jié)合等。隨著光纖干涉技術(shù)的不斷成熟，它將更廣泛地應(yīng)用于科研、軍事等。