基于光纜通信傳輸技術(shù)的儀器設(shè)備長度遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)研究

摘要：在高精工工業(yè)領(lǐng)域中，仍存在著長度測(cè)量誤差過大的問題。針對(duì)該問題，提出了一種基于光纖通信傳輸技術(shù)的長度遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)裝置。結(jié)果顯示，研究設(shè)計(jì)的裝置在10 μm距離內(nèi)測(cè)量中，最大誤差為0.178 μm，相對(duì)誤差最大為1.78%；在100 μm距離內(nèi)測(cè)量中，最大誤差為0.631 μm，相對(duì)誤差最大為0.63%。研究設(shè)計(jì)的長度遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)裝置可以有效降低長度測(cè)量的誤差。

關(guān)鍵詞：光纜通信" "計(jì)量校準(zhǔn)" "傳輸技術(shù)" "光學(xué)干涉

Research on Remote Measurement and Calibration of Instrument and Equipment Length Based on Optical Fiber Communication Transmission Technology

HUANG Yingbo

AVICAECC Harbin Dong’an Engine CO.， Ltd.， Harbin， ，Heilongjiang Province， 150066 China

Abstract： In the field of high-precision industry， there is still a problem of excessive length measurement error. A length remote measurement and calibration device based on fiber optic communication transmission technology has been proposed to address this issue. The results showed that the device designed for the study research had a maximum error of 0.178 μ m and a maximum relative error of 1.78% when measured within a distance of 10 μ m; In the measurement within a distance of 100 μ m， the maximum error is 0.631 μ m， and the maximum relative error is 0.63%. The length remote measurement calibration device designed for research can effectively reduce the error of length measurement.

Key Wwords： Optical cable fiber communication; Measurement calibration; Transmission technology; Optical interference

光纜通信技術(shù)是基于光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。其基本物質(zhì)要素包括光纖、光源和光檢測(cè)器[1]。在發(fā)送端，電信號(hào)被調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，通過光纖，利用光的全反射原理進(jìn)行傳輸；在接收端，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，從而恢復(fù)原信息[2]。光纜通信技術(shù)已成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的基石，其高速、大容量和抗干擾的特性使其在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色[3-4]。傳統(tǒng)的長度計(jì)量校準(zhǔn)方法往往受限于物理距離和環(huán)境因素，難以實(shí)現(xiàn)長距離、實(shí)時(shí)的高精度校準(zhǔn)。探索一種基于光纜通信傳輸技術(shù)的長度遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)方法，對(duì)提升測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要意義。因此，本研究基于光纖通信傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)長度單位遠(yuǎn)程測(cè)量的校準(zhǔn)方法，以實(shí)現(xiàn)提高遠(yuǎn)程長度測(cè)量的實(shí)時(shí)性與測(cè)量精度的目的。

本研究創(chuàng)新性地提出利用光纖通信傳輸技術(shù)迅速、穩(wěn)定的特點(diǎn)，并基于光的干涉原理，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于光纖通信傳輸技術(shù)的遠(yuǎn)程長度測(cè)量方法。

1 基于光干涉原理的量塊長度測(cè)量校準(zhǔn)方法

1.1 光纖通信中的光干涉

光干涉原理是光纖通信傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)原理，利用光干涉原理，可以實(shí)現(xiàn)光纖通信傳輸?shù)男盘?hào)調(diào)制[5]。使用光纖進(jìn)行光干涉時(shí)，需要利用干涉儀將相干光導(dǎo)入光纖[6-7]，光源經(jīng)過分束器與反射鏡處理后，投入同一平面，即可形成雙光束干涉。在這個(gè)干涉條件中，光纖任意一點(diǎn)光強(qiáng)度的計(jì)算如下。

式（1）中：、表示光源單獨(dú)存在時(shí)相干光光源1和光源2對(duì)點(diǎn)的光強(qiáng)，單位為cd；表示光源至點(diǎn)的光程差，單位為mm；表示點(diǎn)的光強(qiáng)度，單位為cd；表示反射鏡移動(dòng)距離，單位為mm。

光干涉條紋的強(qiáng)度與耦合效率和光源強(qiáng)度直接相關(guān)。在單模光纖中，光源可視為有且僅有一個(gè)，因此，、可視為0，點(diǎn)光強(qiáng)與光纖導(dǎo)出光強(qiáng)度的計(jì)算如下 [8]。

式（2）中：表示點(diǎn)光強(qiáng)度，單位為cd；表示光纖導(dǎo)出后光強(qiáng)度，單位為cd；表示耦合效率。

由式（2）可知，反射鏡位置的調(diào)整可以影響點(diǎn)光強(qiáng)度。

1.2 量塊絕對(duì)長度測(cè)量遠(yuǎn)程校準(zhǔn)

根據(jù)光纖通信傳輸?shù)墓飧缮嫘盘?hào)調(diào)制原理，研究設(shè)計(jì)了一個(gè)量塊絕對(duì)長度測(cè)量遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)。該技術(shù)利用光纖，將可移動(dòng)反射鏡由量塊一側(cè)移動(dòng)至另一側(cè)時(shí)產(chǎn)生的光程差輸入干涉儀中，實(shí)現(xiàn)量塊長度的測(cè)量。研究設(shè)計(jì)的方法是以激光干涉儀測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)量塊進(jìn)行精確檢定，實(shí)現(xiàn)量塊長度的絕對(duì)測(cè)量?；谠摲椒?，研究設(shè)計(jì)的儀器設(shè)備長度遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)裝置如圖1所示。

從圖1中可以看到，研究設(shè)計(jì)的量塊長度測(cè)量裝置包括反射鏡、分束器、準(zhǔn)直器、耦合器、干涉儀、光纖和寬帶光源。在該測(cè)量裝置中，經(jīng)過干涉儀耦合后進(jìn)入光纖的光強(qiáng)度如下。

式（3）中：表示相干光1在點(diǎn)的光強(qiáng)，單位為cd；表示相干光2在點(diǎn)的光強(qiáng)，單位為cd。

光束經(jīng)過量塊后，通過反射鏡產(chǎn)生的光強(qiáng)如下。

式（4）中：、表示光束在量塊兩端至反射鏡的光程差，單位為mm。

在光程差相同時(shí)，取到最大值，記錄此時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)反射鏡的位置為a。光束經(jīng)過測(cè)量平臺(tái)后，通過反射鏡產(chǎn)生的光強(qiáng)如下。

光程差相同時(shí)，取到最大值，記錄此時(shí)實(shí)驗(yàn)室反射鏡的位置為b，量塊長度即為a-b。

1.3 量塊相對(duì)長度測(cè)量遠(yuǎn)程校準(zhǔn)

然而，某些設(shè)備儀器無法直接進(jìn)行測(cè)量，需要參考標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行長度計(jì)量校準(zhǔn)。因此，研究還設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)長度測(cè)量遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方法。相對(duì)長度的測(cè)量需要標(biāo)準(zhǔn)量塊的參與，此方法利用激光干涉儀測(cè)量反射鏡移動(dòng)位置，對(duì)量塊進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，確保量塊測(cè)量精度，提供可靠的長度校準(zhǔn)。基于該方法，研究設(shè)計(jì)的量塊相對(duì)長度的測(cè)量裝置如圖2所示。

從圖2中可以看到，相對(duì)長度測(cè)量裝置的基本結(jié)構(gòu)與絕對(duì)長度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)相似。相對(duì)距離長度量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的是一種遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方法，其中，高精度量塊和反射鏡的位移距離較短。該設(shè)計(jì)利用寬帶光源發(fā)出的光束，通過分束器分為兩束，一束照射在固定反射鏡上，另一束照射在標(biāo)準(zhǔn)量塊表面。這兩束光經(jīng)過光纖傳輸?shù)酱?zhǔn)量塊端，其中，光電探測(cè)器用于探測(cè)光強(qiáng)值。在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中，通過調(diào)整反射鏡的位置，使干涉條紋光強(qiáng)達(dá)到最大，從而記錄反射鏡的位置變化，進(jìn)而計(jì)算出待檢量塊和標(biāo)準(zhǔn)量塊之間的差值。

2長度測(cè)量的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)效果分析

為了驗(yàn)證研究設(shè)計(jì)的長度測(cè)量遠(yuǎn)程校準(zhǔn)裝置的效果，研究搭建了一個(gè)儀器設(shè)備長度計(jì)量校準(zhǔn)裝置，將移動(dòng)反射鏡位置設(shè)置為10 μm和100 μm，將采樣頻率設(shè)置為25 kHz，對(duì)研究設(shè)計(jì)的儀器設(shè)備長度計(jì)量校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了測(cè)量誤差分析。研究設(shè)計(jì)裝置的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）為10 μm與100μm距離內(nèi)的絕對(duì)誤差分析?？梢钥吹?，10 μm距離下，最小絕對(duì)誤差為0.012 μm，最大絕對(duì)誤差為0.178 μm；100μm距離下，絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較大，最小誤差僅0.027 μm，最大誤差達(dá)到了0.631 μm。

圖3（b）為10 μm與100μm距離內(nèi)的相對(duì)誤差分析?？梢钥吹剑?0 μm測(cè)量尺度下，最小相對(duì)誤差為0.12%，最大相對(duì)誤差為1.78%；100μm測(cè)量距離內(nèi)，最小相對(duì)誤差為0.03%，最大相對(duì)誤差為0.63%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究設(shè)計(jì)的儀器設(shè)備長度計(jì)量遠(yuǎn)程校準(zhǔn)裝置可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的長度計(jì)量誤差校準(zhǔn)。

3 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種基于光纜通信傳輸技術(shù)的儀器設(shè)備長度遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)裝置。結(jié)果表明，該裝置能夠有效降低長度測(cè)量的誤差，在10 μm距離內(nèi)，最大絕對(duì)誤差為0.178 μm，最大相對(duì)誤差1.78%；在100 μm距離內(nèi)，最大絕對(duì)誤差為0.631 μm，最大相對(duì)誤差0.63%。該裝置實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)長度計(jì)量誤差的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。然而，裝置的絕對(duì)誤差會(huì)隨測(cè)量尺度的增加而增大。未來工作將重點(diǎn)優(yōu)化光纖信號(hào)傳輸裝置，以進(jìn)一步減少光程測(cè)量的絕對(duì)誤差。

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