基于FLRDS的雙路復(fù)用微位移傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘麗鵬，林洪太，鄧 霄,b，宋志強(qiáng)，張 麗，崔麗琴

(太原理工大學(xué) a.物理與光電工程學(xué)院，b.新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

光纖環(huán)形腔衰蕩光譜(fiber loop ring down spectroscopy,FLRDS)技術(shù)是AHERTON et al[1]提出的一種低成本、高靈敏的光譜測(cè)量方法，是在腔衰蕩光譜(cavity ring down spectroscopy,CRDS)[2-5]技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它利用光纖環(huán)代替CRDS中的高反射率腔鏡構(gòu)成光學(xué)諧振腔。因此FLRDS技術(shù)不僅具有不受光源功率波動(dòng)的影響的優(yōu)點(diǎn)，而且使得檢測(cè)系統(tǒng)的傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單靈活，易于集成，對(duì)響應(yīng)變量的測(cè)量變得簡(jiǎn)捷、精確。

FLRDS技術(shù)憑其對(duì)輸入環(huán)路的光強(qiáng)穩(wěn)定性要求不高的優(yōu)點(diǎn)及光纖傳感器本身抗電磁干擾、抗輻射、耐腐蝕等特性，被廣泛應(yīng)用于壓強(qiáng)、溫度、濃度等參數(shù)的測(cè)量[6-9]。WANG et al[10]將光纖布拉格光柵(FBG)作為溫度傳感部件接入光纖環(huán)，應(yīng)用光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)完成了對(duì)溫度的測(cè)量，分辨率達(dá)到0.18 ℃；ZHU et al[11]提出了一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)固有系統(tǒng)損耗的方法，提高了基于FLRDS的氣體傳感器精度，將乙炔濃度的檢測(cè)平均誤差降低為0.04%；2016年ALALI et al[12]基于FLRDS設(shè)計(jì)出一種可以測(cè)量相對(duì)濕度的光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)了在恒定溫度下測(cè)量寬動(dòng)態(tài)范圍(4.0%～100%)的相對(duì)濕度；2006年LI et al[13]將PS-FLRDS應(yīng)用于人體血清白蛋白的分析，在吸收峰面積與人體血清白蛋白濃度之間獲得了極好的線性響應(yīng)；2012年WANG et al[14]完成了對(duì)葡萄糖樣品溶液中的濃度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)測(cè)試溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.10%～10%時(shí)，檢測(cè)靈敏度為0.10%.2017年WANG et al[15]提出了一種基于FLRDS技術(shù)和Mach-Zehnder干涉儀測(cè)量濃度和溫度的新型傳感系統(tǒng)，并通過(guò)不同的溶液濃度和溫度來(lái)測(cè)試其特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明質(zhì)量濃度靈敏度為0.001 4 g/mL，溫度靈敏度為1.83 μs/℃.這些基于FLRDS技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方案雖然取得了較好的效果，但是在光纖傳感結(jié)構(gòu)上只涉及到一個(gè)光纖環(huán)回路，故只能進(jìn)行單通道、單參量的檢測(cè)，無(wú)法滿足大多數(shù)領(lǐng)域?qū)ν蕉鄥?shù)的測(cè)量需求，在應(yīng)用方面受到了較大的限制。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文依據(jù)雙光路的復(fù)用理論，在傳感系統(tǒng)中采用延遲線方法，搭建了基于FLRDS技術(shù)的雙路復(fù)用傳感系統(tǒng)，進(jìn)行了相應(yīng)傳感光纖固定點(diǎn)位移的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)系統(tǒng)的重復(fù)性、穩(wěn)定性以及靈敏度進(jìn)行了研究。

1 復(fù)用測(cè)量原理

系統(tǒng)基于雙路復(fù)用的理論，采用延遲線方法，以確保每個(gè)脈沖的返回值不會(huì)重疊混亂，雙路復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖2所示。

圖1 雙路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Dual multiplexed structure diagram

圖2 雙路脈沖序列圖Fig.2 Dual multiplexed pulse sequence diagram

上式中l(wèi)cA，lcB是光纖環(huán)A，B的長(zhǎng)度，為l1；ldA，ldB是延遲線A，B的長(zhǎng)度，分別是是l1，l2；tcA，tcB是光脈沖在A，B光纖環(huán)傳輸一圈所用的時(shí)間；tdA，tdB是光脈沖經(jīng)過(guò)延遲線A，B所用的時(shí)間；n表示光纖的有效折射率。

系統(tǒng)中采用上述結(jié)構(gòu)的延遲線余量相對(duì)寬裕，因而需對(duì)更一般的情況進(jìn)行探究。假設(shè)所有環(huán)路的光纖環(huán)長(zhǎng)均為l，第一環(huán)路的延遲線長(zhǎng)度也為l，此后延遲線的長(zhǎng)度是以一個(gè)首項(xiàng)為l，公差為d的等差數(shù)列在不斷增加；m表示環(huán)路數(shù)量，wl表示脈沖寬度；t1，t2分別表示脈沖在第一個(gè)環(huán)路中循環(huán)輸出的第一個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖的時(shí)刻；t21表示二者的差值，為一固定值，且所有環(huán)路的這一值均相等。在確保脈沖序列有序輸入到光電探測(cè)器的前提下，可以得出如下式：

(1)

(2)

從式(1)、(2)可以看出，光纖環(huán)的數(shù)量m是由光纖環(huán)長(zhǎng)度l、激光脈沖寬度wl及環(huán)路長(zhǎng)度的公差d決定的。在l一定的情況下，隨著wl和d越來(lái)越小，m的值會(huì)越來(lái)越大；但是考慮到環(huán)路分辨率、環(huán)路便攜性以及傳感器靈敏性，一般在確定l的情況下，需要選取合適的wl和d.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

雙路復(fù)用微位移傳感系統(tǒng)由激光器、兩路并聯(lián)的FLRDS傳感回路、采集設(shè)備及位移傳感單元組成，如圖3所示。該系統(tǒng)采用窄線寬的DFB半導(dǎo)體激光器(THORLABS)作為光源，中心波長(zhǎng)為1 550 nm，經(jīng)調(diào)制后為系統(tǒng)提供脈沖激光，脈沖寬度為20 ns，輸出的激光脈沖重復(fù)周期為20 μs.傳感回路由兩個(gè)耦合比為50∶50的耦合器(耦合器1、耦合器6)、兩條延遲線(延遲線A、延遲線B)、兩個(gè)光纖環(huán)回路(光纖環(huán)A、B均由兩個(gè)耦合比為90∶10的耦合器和一截光纖組成)及光電探測(cè)器(DET08CFC/M)構(gòu)成。光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由示波器(MSOX3102T)采集。傳感單元由千分尺和光纖固定點(diǎn)構(gòu)成。

激光脈沖經(jīng)過(guò)耦合器1后，被分成功率相等的兩束脈沖光，作為進(jìn)入雙路復(fù)用系統(tǒng)的光源。由于路徑中延遲線的差異，使得光電探測(cè)器接收到的兩路光脈沖信號(hào)在時(shí)間上先后分開，相當(dāng)于在兩個(gè)環(huán)路之間加入一個(gè)合適的相位調(diào)制項(xiàng)，在延遲線A，B傳播的光脈沖將分別進(jìn)入到A，B兩路光纖環(huán)中，A，B光纖環(huán)路都作為一個(gè)獨(dú)立的衰蕩腔系統(tǒng)，均運(yùn)用于微位移的測(cè)量。當(dāng)兩路脈沖光分別進(jìn)入A，B兩路光纖環(huán)內(nèi)時(shí)，光脈沖在光纖環(huán)內(nèi)每循環(huán)繞行一次，會(huì)經(jīng)過(guò)一次微位移傳感器，進(jìn)而輸出對(duì)應(yīng)的衰蕩脈沖，在兩個(gè)環(huán)路的輸出端逆用一個(gè)耦合比為50∶50的耦合器6即可把兩路傳感器的脈沖序列整合后有序輸出，經(jīng)光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸入到示波器中顯示，呈現(xiàn)出相位差明顯的衰蕩信號(hào)。

圖3 雙路復(fù)用微位移傳感系統(tǒng)Fig.3 Dual multiplexed micro-displacement sensing system

當(dāng)有位移作用于光纖傳感器時(shí)，脈沖光會(huì)產(chǎn)生由位移變化引發(fā)的額外損耗，額外損耗會(huì)引起衰蕩時(shí)間改變，如式3所示[8]：

(3)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

利用圖3所示實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)雙路傳感系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采集該傳感系統(tǒng)輸出的雙路衰蕩脈沖并對(duì)其進(jìn)行了e指數(shù)的擬合，如圖4所示。圖4(a)表示雙路傳感系統(tǒng)輸出的脈沖序列，圖4(b)表示其輸出衰蕩脈沖峰值的擬合曲線。圖4(a)中任意兩個(gè)相鄰的脈沖峰峰值時(shí)間間隔為140 ns，表明B通道的延遲線在相位上比A通道推后140 ns；轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度后即B通道的延遲線比A通道長(zhǎng)28.61 m，即公式(2)中的公差d.另外從圖中可以明顯看出延遲余量相對(duì)充裕，具有多級(jí)并聯(lián)的潛力。圖4(b)中可以看出，A、B的峰值擬合曲線的擬合率為99.9%，相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔t為229 ns，可以計(jì)算出A通道和B通道的光纖環(huán)長(zhǎng)度分別為46.91 m，46.75 m，兩環(huán)長(zhǎng)度近似相等。

圖4 光脈沖在雙路光纖環(huán)內(nèi)的衰蕩曲線Fig.4 Ringing curve of light pulse in a dual multiplexed fiber ring

為了驗(yàn)證傳感器的重復(fù)性，在A、B雙路傳感系統(tǒng)中分別進(jìn)行了10組實(shí)驗(yàn)。A路中的10組實(shí)驗(yàn)分別包含5組位移為0 mm和5組位移為6 mm的實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)被交替進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以1 min的頻率采集1次，每組采集10次，結(jié)果如圖5(a)所示。圖5(a)表明，當(dāng)被測(cè)光纖固定點(diǎn)位于0 mm處時(shí)，衰蕩參數(shù)為(0.950 081±0.001 150 6) μs-1，而當(dāng)位于6 mm處時(shí)，衰蕩參數(shù)為(0.955 884±0.001 966 4) μs-1.對(duì)B路傳感器分別依次進(jìn)行5組位移為0 mm和位移為5 mm的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以1 min的頻率采集1次，每組采集10次，結(jié)果如圖5(b)所示。圖5(b)顯示的是每隔一段時(shí)間在B路光纖環(huán)中的傳感器上施加0 mm與5 mm的位移時(shí)衰蕩參數(shù)的變化，在0 mm處的衰蕩參數(shù)為(0.953 523±0.001 757) μs-1，而在5 mm處時(shí)為(0.959 957±0.002 013) μs-1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示A、B兩環(huán)路中傳感器的重復(fù)性最大誤差分別為0.001 966 4 μs-1，0.002 013 μs-1，表明傳感器的重復(fù)性較好。

圖5 重復(fù)性測(cè)試結(jié)果Fig.5 Repeatability test results

為確保傳感器系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)A，B兩路位移傳感器施加0～10 mm的位移，對(duì)A路和B路傳感器分別每間隔2 mm和1 mm進(jìn)行采集，得到驗(yàn)證結(jié)果如圖7及表1所示?？梢钥闯觯珹路傳感器的相對(duì)誤差為2.1%，而B路傳感器的相對(duì)誤差為4.0%.

圖6 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Calibration experiment results

圖7 傳感器的驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Sensor verification result

Table 1 Comparative results of A and B channels mm

4 結(jié)論

本文依據(jù)雙路復(fù)用的理論，引入延遲線方法，將傳感單元引入光纖環(huán)諧振腔中，搭建出同步復(fù)用傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移的雙路同步測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在重復(fù)性測(cè)試時(shí)，A路傳感器在0 mm和6 mm處的衰蕩參數(shù)分別在0.950 080 6 μs-1和0.955 883 6 μs-1附近上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍分別是±0.001 150 6 μs-1和0.001 966 4 μs-1；B路傳感器在0 mm和6 mm處的衰蕩參數(shù)分別在0.953 523 μs-1和0.959 957 μs-1附近上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍分別是±0.001 757 μs-1和±0.002 013 μs-1.此外，A，B兩路傳感器的靈敏度分別為(1.07×10-3±7.337×10-5) μs-1·mm-1和(1.00×10-3±4.130 014×10-5) μs-1·mm-1.在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，A、B兩路傳感器的相對(duì)誤差分別為2.1%，4.0%.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，該方法不僅可以用于雙通道的位移檢測(cè)，亦可用于壓力的同步檢測(cè)，或者雙通道的不同參量同步檢測(cè)；在對(duì)其中傳感器適當(dāng)改變的情況下可以完成對(duì)化學(xué)分析、大氣環(huán)境檢測(cè)、生物樣品等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量。當(dāng)系統(tǒng)光功率得到滿足的前提下，可在上述領(lǐng)域推廣多通道多參量的分布式同步檢測(cè)，使其具有更多的現(xiàn)實(shí)意義。