使用微波作為副載波的光纖應力傳感器

夏 超,周柯江

(浙江大學信息與電子工程學系,浙江 杭州 310027)

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·光纖及光通訊技術(shù)·

使用微波作為副載波的光纖應力傳感器

夏 超,周柯江

(浙江大學信息與電子工程學系,浙江 杭州 310027)

光纖應力傳感器是以光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的應變、應力測量系統(tǒng),具有重要的民用、軍用價值。其中有一種能用于大型建筑物形變監(jiān)測的傳統(tǒng)的光纖應力傳感器又叫SOFO。它使用邁克爾遜干涉儀作為信號解調(diào)器,因為需要掃描,所以響應時間較長。為了解決這一問題,出現(xiàn)了以微波作為副載波的應力傳感器。但是其中使用的光環(huán)行器又引入了較大誤差,使得系統(tǒng)性能不理想。本文分析了誤差原因,并使用耦合器、相位比較器分別替代了環(huán)形器、乘法器,取得了良好的實驗結(jié)果。

光纖傳感；光纖應力傳感器；光環(huán)形器

1 引 言

光纖應力傳感器是一種基于光纖傳感技術(shù)的應變、應力測量系統(tǒng),由于其具有精度高、溫度穩(wěn)定性好、壽命長等優(yōu)點,非常適合于橋梁、大壩等大型建筑物的形變監(jiān)測。傳統(tǒng)的此種類型的光纖應力傳感器又叫SOFO(法語 Surveillance d’Ouvrages par Fibres Optiques的首字母簡稱),是一種基于低相干干涉原理的系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

如圖1所示,一個完整的SOFO由光纖傳感器、LED光源、邁克爾遜干涉儀、信號處理數(shù)字電路及接收信號的外部PC機等若干部分組成。

圖1 傳統(tǒng)SOFO結(jié)構(gòu)圖

光纖傳感器由一對單模光纖組成。一條一端連接耦合器,另一端與待測建筑物相連,為測量光纖；另一條一端與耦合器相連,另一端則自由放置不與待測建筑物相連,為參考光纖。兩段光纖的末端各有一面反射鏡。LED光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器分束分別入射至參考光纖及測量光纖后,被各自的反射鏡反射又再返回耦合器。設置參考光纖的長度與測量光纖相同,則返回光相位亦完全相同。若建筑物發(fā)生形變則測量光纖伸長或縮短,引入光程差,兩束光相遇發(fā)生干涉。利用這些干涉圖像便可推斷出測量光纖的形變量,亦即被測建筑物的形變情況。參考光纖的存在同時也補償了由溫度變化引起的硅光折射率的變化,提高了系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。

干涉光的解調(diào)器是一個邁克爾遜干涉儀,其一端反射鏡固定、另一端反射鏡位置可調(diào)。調(diào)節(jié)移動反射鏡可以補償建筑物形變帶來的測量光纖與參考光纖的光程差。

通過對光纖傳感器部分的一些改進,如使用加長傳感器、薄膜傳感器、超薄傳感器、剛體傳感器等,可以使得SOFO能夠適應各種不同類型建筑物的形變監(jiān)測的要求[2]。

2 使用微波作為副載波的應力傳感器

由于采用了短相干光源,SOFO測量時需要移動邁克爾遜干涉儀的反光鏡進行掃描,所以系統(tǒng)響應時間較長且機械性能不佳,無法應用于強振動場合。故而,一種新的結(jié)構(gòu)被提出。該結(jié)構(gòu)使用微波作為副載波,不再需要邁克爾遜干涉儀[3]。其原理圖如圖2所示。

圖2 使用微波作為副載波的應力傳感器結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示,該結(jié)構(gòu)舍棄了邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu),并將傳感器簡化為單根,測量光纖一端固定在環(huán)形器上,另一端固定在嵌入待監(jiān)測建筑物的反射鏡上。光源帶有信號調(diào)制功能。

設光源發(fā)出光信號為Is=Io(1+cosωt),PIN管接收到的信號為Ip=Io{1+cos[ω(t+Δt)]}=Io{1+cos[ωt+ωΔt)]},其中Δt表征了光在測量光纖中經(jīng)歷的傳播、反射帶來的相位改變。設置測量光纖的初始長度滿足特定條件,即該相位改變恰為2π的整數(shù)倍,則此時Is=Ip。之后,當建筑物發(fā)生形變時帶動測量光纖伸長或縮短從而引入了前述的相位差Δt。

3 環(huán)形器帶來的誤差及改進方法

環(huán)形器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 環(huán)形器結(jié)構(gòu)圖

環(huán)形器是由雙折射分離元件、法拉第旋轉(zhuǎn)器和偏振面旋轉(zhuǎn)器組成的三端口器件,其主要工作原理如下[5]。

當光束由端口1入射時,入射光經(jīng)過第一個雙折射分離元件后,被分離成兩束,上束為垂直偏振光(也稱E光),下束為水平偏振光(也稱O光)。經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器和相位旋轉(zhuǎn)器分別旋轉(zhuǎn)45°后,上束變?yōu)樗狡窆?下束變?yōu)榇怪逼窆?。由于水平偏振光通過第二個雙折射分離元件時其偏振方向不變,且不發(fā)生折射,而垂直偏振光通過時發(fā)生折射,過程與通過前一分離元件時相反,所以光束在端口2處被合成后輸出。

當光束由端口2入射時,輸入光束首先被靠近端口2的雙折射分離元件分成兩束正交偏振光。由于法拉第旋轉(zhuǎn)器的非互異性,相位旋轉(zhuǎn)器和法拉第旋轉(zhuǎn)器的作用相互抵消,因而兩個分量通過這兩個器件后偏振態(tài)保持不變。經(jīng)過靠近端口3的雙折射分離元件的分離后,它們已偏離了端口1的軸,兩束光分別通過反射棱鏡和偏振分束立方體透鏡重新組合,并從端口3輸出。

理想情況下,環(huán)形器是無損耗器件,光源發(fā)出的光最終將全部進入PIN管,這對系統(tǒng)信噪比的提升作用明顯。然而,其缺點也顯而易見,主要體現(xiàn)在下述兩個方面。

其次,光環(huán)形器復雜的結(jié)構(gòu)帶來了較大的偏振耦合,也給最終結(jié)果帶來了較大的誤差。如圖3所示,對于一個典型的三端口光環(huán)形器,以光從1端口入射2端口出射為例,光總共經(jīng)歷了8次的端面透射。由于實際器件之間總存在一些軸對準誤差(通常為2°左右),在經(jīng)歷了8次偏振耦合之后,已有相當一部分的偏振態(tài)發(fā)生了主軸與副軸之間的耦合,從而帶來了寄生干涉,影響系統(tǒng)性能。當然,若是再考慮這些端面反射則情況就又更復雜。

鑒于以上情況光環(huán)形器并不適用于本系統(tǒng),故考慮使用耦合器代替環(huán)形器。這樣做雖然帶來了6 dB的光能損耗,但是由于耦合器中光路對稱,且其本身的反射率較小(小于60 dB)、內(nèi)部端面較少偏振耦合又較為微弱,故系統(tǒng)整體性能仍有較大幅度提升。同時,由于本系統(tǒng)只關(guān)心過零位,故使用相位比較器代替了乘法器,這樣能讓正弦波信號幅值取得更大,從而進一步提高系統(tǒng)精確性。

改進后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 改進后的使用微波作為副載波的應力傳感器結(jié)構(gòu)圖

改進前系統(tǒng)的頻率掃描如圖5所示。

圖5 使用環(huán)形器的系統(tǒng)頻率掃描圖

由圖可見掃描結(jié)果噪聲較大,過零點不穩(wěn),甚至某些情況下根本無法準確判定過零點位置。

改進后系統(tǒng)的頻率掃描如圖6所示。

圖6 使用耦合器和相位比較器的系統(tǒng)頻率掃描圖

由圖可見系統(tǒng)響應穩(wěn)定、零點判定十分準確。由于使用了相位比較器,一旦相位差超過了動態(tài)范圍則響應截止,故圖線兩端為直線。

改進后的系統(tǒng)的實驗測試結(jié)果如圖7所示。

如圖7所示,星點為測量值,直線為最小二乘法擬合直線。由圖可見,計算形變量百分比與實測形變量百分比呈較好的線性關(guān)系,可見系統(tǒng)性能優(yōu)良。

圖7 改進后的系統(tǒng)實驗測試結(jié)果圖

4 不足及改進

對于該改進系統(tǒng),目前主要存在的問題及需要進一步改進之處主要有兩點。

首先是開機穩(wěn)定性不理想,需要進一步解決。圖8為實驗環(huán)境下,不加負載時反饋微波調(diào)制頻率變化圖。

圖8 開機反饋頻率變化圖

由圖可見,即使在實驗室較理想環(huán)境中、無負載情況下,反饋微波調(diào)制頻率仍有一定漂移。如何解決該漂移,改善系統(tǒng)開機穩(wěn)定性,是下一步繼續(xù)改進該系統(tǒng)的一個重要問題。

其次是溫度穩(wěn)定性需要補償。由于將原有的用于補償溫度漂移的參考光纖舍去,導致本系統(tǒng)的測量結(jié)果將受到周圍環(huán)境溫度變化的影響?？梢钥紤]另加一個完全相同的系統(tǒng)來進行參考補償。

[1] Daniele Inaudi，Sandra LLoret.Ranging of reflective markers in optical fiber sensors by double-pass phase modulation[J].Opt.Eng.1997,36(9):2457-2465.

[2] Branko Glisic，Daniele Inaudi，Pascal Kronenberg，et al.Special sensors for deformation measurements of different construction materials and structures[J].Proc.SPIE,1999,3670:505.

[3] Alan Johnstone;Sebastian Portou ;S.Gareth Pierce and Brian Culshaw.Dynamic displacement measurements with submicron resolution using microwave subcarrier interferometry[J].Proc.SPIE,1990,3860:127.

[4] 廖延彪.光纖光學[M].北京:清華大學出版社,2000:71-74.

[5] MO Bincheng.Research and design of non-reciprocal optical devices[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2013.(in Chinese)

莫檳誠.非互易光器件的研究與設計[D].武漢：華中科技大學,2013.

Fiber tension sensor using microwave as subcarrier

XIA Chao,ZHOU Ke-jiang

(Department of Information Science & Electronic Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Fiber tension sensor is a fiber sensing system for measuring strain and stress,and it has significant commercial and military value.One of the traditional fiber tension sensors can be used to monitor the deformation of buildings,and is also known as SOFO.It uses Michelson interferometer as signal demodulator.Its response time is long as scanning is needed.In order to solve this problem,fiber tension sensors using microwave as subcarrier is presented.However,the optical circulator used in it brings large error,which makes the performance unsatisfactory.The error sources was analyzed,and optical coupler and phase comparator were used to replace the optical circulator and the multiplier.Good experiment result has been gotten.

fiber sensing;fiber tension sensor;optical circulator

1001-5078(2015)06-0689-04

夏 超(1990-)，男，碩士生，主要研究方向為干涉式光纖陀螺，光環(huán)形器等。E-mail：omllyf@hotmail.com

2014-09-27;

2014-11-24

TP212.4+4

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.018