基于光纖法布里—珀羅腔的振動測量技術(shù)研究

蒲金飛, 蒲俊吉, 吳宇列, 肖定邦, 吳學忠

(國防科技大學 智能科學學院,湖南 長沙 410073)

0 引 言

近年來,隨著我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、大型工程設(shè)備及裝備等領(lǐng)域不斷取得跨越式發(fā)展,高精度及可靠性良好需求下的工程設(shè)備的故障診斷技術(shù)受到了研究人員們的廣泛關(guān)注。由于設(shè)備的振動信息所包含的工況內(nèi)容最豐富,對于振動噪聲的監(jiān)測抑制往往制約著裝備的穩(wěn)定性及可靠性。特別是在航空航天領(lǐng)域內(nèi),由于航空發(fā)動機的原位振動嚴重影響航空器的壽命及安全可靠性,因此,如何實現(xiàn)高溫工作環(huán)境下(500～700 ℃)航空發(fā)動機內(nèi)部狹小空間振動信號的高精度測量具有重要的工程意義[1]。

目前最常見的振動傳感器通常采用壓電式原理,盡管其靈敏度和信噪比較高,但容易受到外部電磁環(huán)境干擾,且振動傳感器大部分都是依賴進口[2],國產(chǎn)傳感器在溫度范圍和測量精度等方面有較大差距[3]?；诜ú祭铩炅_腔的測量技術(shù)是一種高精度的光學干涉測量技術(shù),具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高、精度高等特點[4,5],近年來在振動測量中逐步得到研究。由于光纖具有耐高溫,且抗干擾能力強的特點,在高溫振動測量中也開始得到應(yīng)用[6,7],但是目前光纖高溫振動測量技術(shù)并不成熟。

本文構(gòu)建了一種面向高溫振動測量的光纖法布里—珀羅腔的振動測量系統(tǒng),對其測量性能進行了深入研究,為構(gòu)建應(yīng)用于航空發(fā)動機的耐高溫小體積的振動測量傳感器提供了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 光纖法布里—珀羅腔干涉測量的基本原理

1.1 光纖法布里—珀羅腔干涉測量原理

標準法布里—珀羅腔結(jié)構(gòu)利用多反射光線將在上平板處發(fā)生反射光線干涉現(xiàn)象,反射光譜可表示為式(1)[8]

(1)

(2)

式中R1和R2分別為上平板和下平板反射率,φ為相鄰反射光束相位差,n為腔體內(nèi)介質(zhì)的折射率。為表征法布里—珀羅腔反射光譜特性,引入用于表征法布里—珀羅腔可以分辨的最大波長差的參數(shù)Δλ

(3)

式中λ1和λ2分別為反射光譜中相鄰兩個波峰或波谷的波長。有別于標準法布里—珀羅腔結(jié)構(gòu),基于光纖傳播的法布里—珀羅腔由光纖出射端表面與振動器件反射面組成,如圖1(a)所示,由于光纖端部出射光束相較于準直光束發(fā)散角較大,僅有部分光束將反射進光纖內(nèi)部,基于光纖傳播的法布里—珀羅腔反射光譜可簡化為雙光束干涉模型,即式(4)

(4)

式中η為反射光耦合進入光纖的效率。由于耦合效率η受到包括腔長、光纖參數(shù)等多重影響,這里并不作理論分析,僅給出典型光纖法布里—珀羅腔反射譜隨腔長變化的仿真特性曲線,如圖1(b)所示,從中可以看出,隨著腔長的增加反射率先減小后增加并最終維持一個穩(wěn)定值[9]。

圖1 光纖法布里—珀羅腔干涉測量原理

引入雙光束干涉條紋對比度I表征干涉光譜特性

(5)

式中Rmax和Rmin分別為反射光譜相鄰波峰谷的反射率,對比度隨腔長的增加先增大后減小,其中在某一特定腔長處達到最大值1。

1.2 強度解調(diào)原理

為表征設(shè)備振動狀態(tài)下,腔長變化所引起的反射率的變化,定義法布里—珀羅腔傳感器的靈敏度為S,針對式(4)中的雙光束干涉模型,可得[10]

(6)

式中L0為法布里—珀羅腔初始長度。若想確保傳感器具有最大的靈敏度,則應(yīng)保證sin(4πnL0/λ) =±1,即L0=(2m+1)λ/8n,m= 1,2,3...,此時

(7)

(8)

從式(5)和式(8)中可以發(fā)現(xiàn),光纖法布里—珀羅腔靈敏度正比于反射光譜對比度,因此,對比度取最大時的腔長即為最優(yōu)腔長,傳感器此時處于最大靈敏度。

2 基于光纖法布里—珀羅的振動測量系統(tǒng)

搭建如圖2所示的法布里—珀羅腔振動測量系統(tǒng),其中包括可調(diào)諧激光模塊、光反射模塊、數(shù)據(jù)采集及分析模塊等。1)可調(diào)諧激光模塊：包括窄線寬調(diào)諧激光器,可形成中心波長1 550 nm,光譜覆蓋范圍為(1 550±10)nm的準直激光。2)光反射模塊：包括光循環(huán)器、耦合器、單模光纖?？烧{(diào)諧激光器出射光耦合進入光循環(huán)器及單模光纖,并從光纖出射端垂直照射至振動器件,反射光以反向光路再次耦合進光循環(huán)器和耦合器。3)數(shù)據(jù)采集及分析模塊：包括光功率計、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機。反射光由耦合器分光,一路功率計接收,實現(xiàn)反射光譜的實時檢測；另一路由光電探測器接收并通過數(shù)據(jù)采集卡及計算機進行后處理。

圖2 法布里—珀羅腔振動傳感系統(tǒng)實物

3 工作點穩(wěn)定性能研究

為了實現(xiàn)腔長變化與反射光強變化具有最大的線性區(qū)間,應(yīng)保證傳感器工作點位于線性區(qū)間的中心點,此時工作點對應(yīng)的反射光強為中值光強,該點稱為正交工作點(Q點)。由于傳感器正常工作條件不僅受限于傳感器自身性能及結(jié)構(gòu)屬性,還受到外界環(huán)境的影響,例如隨外界環(huán)境振動而產(chǎn)生的腔長漂移,這使得傳感器無法確保始終處于靈敏度最高的正交工作點。因此,必須引入反饋控制從而確保傳感器的工作性能。

工作點的反饋控制主要包括兩個步驟,首先，是確定正交工作點,利用可調(diào)諧激光器進行波長掃描從而確定掃描結(jié)果中的最大光強和最小光強,通過兩點對應(yīng)的波長計算出傳感器最佳工作波長,最后控制激光器總是工作在該波長處。其次,當腔長漂移時光反射譜會發(fā)生實時變化,并使得最初確定的工作點發(fā)生改變,而這種漂移往往只會造成反射譜的相位變化,如圖3所示,這就需要將原有工作點平移一個相位變化量并達到新的工作位置。

圖3 反射譜隨時間變化而發(fā)生相位漂移

如圖4所示為Q點反饋控制的原理圖,其中，曲線I1為t時刻的反射光譜,I2為t+Δt時刻的反射光譜。假定漂移不會造成光強的變化,則I2相對I1橫向偏移Δλ的相位。

假設(shè)t+Δt時刻探測的激光波長為λ2c,光強為Ic,可以根據(jù)t時刻的原始數(shù)據(jù)計算當前光強下原始反射光譜所對應(yīng)的波長λ1c,此時就可以計算出波長漂移量

Δλ=λ2c-λ1c

(9)

此時t+Δt時刻的Q點波長即為

λ2Q=λ1Q+Δλ=λ1Q+λ2c-λ1c

(10)

圖4 Q點反饋控制原理

對傳感器進行工作穩(wěn)定性測試實驗。在完成初次反射譜掃描后確定傳感器Q點所對應(yīng)的最佳波長,并將可調(diào)諧激光器的輸出波長設(shè)置為Q點波長,利用光電探測器首先測試無外部反饋控制的光強信號,如圖5(a)所示。可以看出在腔長固定的情況下反射光強仍然發(fā)生了明顯的漂移,而在引入式(10)的控制算法后,利用比例控制對于反射光強進行了明顯改善,其中信號毛刺來源于切換波長過程帶來的噪聲。

圖5 Q點穩(wěn)定性測試

4 高頻率振動測量

采用陶瓷壓電片作為振動器件,首先利用激光測振儀系統(tǒng)配合鎖相放大器實現(xiàn)對壓電片的掃頻分析,從而確定其振動頻率及幅值。之后利用光纖法布里—珀羅腔振動測量系統(tǒng)對高頻驅(qū)動下壓電片的振動信號進行測試,從而驗證該系統(tǒng)對于高頻率振動的響應(yīng)性能。

通過鎖相放大器可以得到陶瓷壓電片的多個諧振頻率,為實現(xiàn)光纖測量系統(tǒng)對于高頻振動的測量,選取40 kHz 的諧振頻率作為驅(qū)動頻率。在完成對光纖法布里—珀羅腔在Q點的反饋控制后,通過信號發(fā)生器激振陶瓷壓電片,其頻域信號如圖6(a)所示,當壓電片開始激振時該系統(tǒng)存在明顯的響應(yīng)信號,通過分析功率譜可以看到頻率為40 kHz時存在明顯的諧振峰值,這表明測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)高頻振動的測量。但通過增大激振電壓并不能改變功率譜的諧振峰值,這是因為壓電片的振動幅值已經(jīng)超過了激光波長的1/4即該系統(tǒng)的線性工作區(qū)間,信號處于飽和狀態(tài)。

圖6 利用光纖系統(tǒng)進行陶瓷壓電片的頻譜分析

5 小振動測量

5.1 激光測振儀系統(tǒng)小振動測試

作為法布里—珀羅腔振動傳感系統(tǒng)的對照標定,首先利用激光測振儀系統(tǒng)對周期振動的杯型陀螺儀進行信號測試。選取杯型陀螺儀內(nèi)圈為測試點,驅(qū)動頻率為一階模態(tài)振動頻率,如圖7(a),驅(qū)動電壓分別為1,5,10,50,100 mV從而得到陀螺振動幅值—驅(qū)動電壓擬合曲線,如圖7(b)。不難發(fā)現(xiàn),工作在諧振頻率下陀螺的振動幅值與驅(qū)動電壓存在明顯的線性關(guān)系。

圖7 激光測振儀系統(tǒng)小振動測試

5.2 法布里—珀羅腔振動測量系統(tǒng)小振動測試與標定

為獲得較大靈敏度,選取反射譜消光比約20 dB所對應(yīng)的腔長為最佳腔長。采用5.1節(jié)所述驅(qū)動電壓得到測量數(shù)據(jù)并計算出測定數(shù)據(jù)的功率譜密度,如圖8(a),由此得到標定曲線如圖8(b)。

圖8 法布里—珀羅腔振動傳感系統(tǒng)小振動測試

實驗結(jié)果表明,法布里—珀羅腔振動傳感系統(tǒng)實現(xiàn)了對杯型陀螺儀振動信號的測試并表達了很好的線性關(guān)系,由于其功率譜本底噪聲為-90 dB可知,系統(tǒng)可以實現(xiàn)最高精度0.05 nm的振動信號測量。

6 結(jié) 論

本文首先從理論上分析了光纖法布里—珀羅腔結(jié)構(gòu)的振動傳感系統(tǒng)測試原理,其次根據(jù)測試機理搭建了光纖法布里—珀羅腔振動傳感系統(tǒng)。分別開展了工作點穩(wěn)定性能研究、高頻率振動測量和小振動測量研究。結(jié)果表明:利用比例反饋控制算法實現(xiàn)了對反射譜相位漂移的抑制,并實現(xiàn)了對40 kHz高頻振動的壓電片及0.05 nm小幅振動的杯型陀螺儀的測試,這對于未來高溫條件下航空發(fā)動機內(nèi)振動信號高精度測量及診斷抑制具有重要意義。在后續(xù)工作中可以進一步抑制環(huán)境及激光本體噪聲,提高法布里—珀羅腔振動傳感系統(tǒng)的測量精度并拓展其工程應(yīng)用范圍。