相位调制全光纤Mach-Zehnder干涉仪传感实验

梁昌林,吴念乐,张连芳,王长江

(清华大学实验物理教学中心,北京100084)

相位调制全光纤Mach-Zehnder干涉仪传感实验

梁昌林,吴念乐,张连芳,王长江

(清华大学实验物理教学中心,北京100084)

使用单模石英光纤设计了相位调制全光纤M-Z干涉仪传感实验系统,采用CCD技术显示干涉条纹的空间分布及其移动情况,同时利用光电检测及可逆计数技术实现移动条纹的自动计数.利用该系统进行了光纤温度传感、光纤应变传感原理性实验测试.

光纤;Mach-Zehnder干涉仪;温度传感;应变传感

1 引 言

随着现代科学技术的发展以及创新型人才培养教育理念的贯彻实施,将现代科学技术的新概念、原理以及相关技术引入实验物理教学具有重要意义.光纤传感是伴随着光导纤维及光通信技术的发展,于20世纪70年代末开始逐渐形成的新型传感技术[1-5].本文通过对光纤传感及干涉测量技术的研究,设计制作了适合于物理实验教学的相位调制全光纤Mach-Zehnder(简记为MZ)干涉传感原理实验测量系统.利用该系统可进行光纤温度传感、应力应变传感等原理性实验教学,以达到使学生了解光纤传感的基本概念及其应用,进一步理解物理学、波导光学等学科的相关原理理论,学习光纤光路的调整和干涉测量技术等实验教学目的.

2 相位调制光纤传感原理及实验系统设计

相位调制光纤传感的基本原理是通过被测量与光纤的相互作用,使光纤内传输的光波的相位发生变化即被调制,再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强度的空间分布变化,从而检测出待测的物理量.

本文利用单模石英光纤构造具有透明、开放式结构的相位调制全光纤M-Z干涉仪传感实验测量系统,并且采用CCD技术直观显示干涉条纹的空间分布及其移动情况,同时利用光电检测及可逆计数技术实现移动条纹的自动计数.实验装置结构如图1所示,主要包括3部分:全光纤M-Z干涉仪系统、相位调制系统和干涉条纹显示计数系统.

图1 相位调制全光纤Mach-Zehnder干涉传感实验系统结构示意图

2.1 全光纤M-Z干涉仪系统

全光纤M-Z干涉仪系统主要由光纤耦合透镜和3 dB单模光纤耦合器以及单模光纤构成.M-Z干涉仪的一路光纤作为参考光路,另一路光纤作为传感光路,并在传感光路中设置光纤开放接口,以便于更换传感光纤.两路光纤的光出射口端相互靠近,并固定于暗盒中.整个光纤干涉仪除传感光纤以外,其余部分均置于透明有机玻璃箱体内,并采取必要的减震、隔热等措施,以避免周围环境因素对实验的影响.

从He-Ne激光器发出的激光通过光纤耦合透镜及传输光纤后,经3 dB光纤耦合器分成等强度的两束光,分别进入参考光纤和传感光纤.传输过程中保持两束光的偏振态不发生改变.从端口出射的两束光在空间相遇产生干涉,得到明暗相间的干涉条纹.

2.2 相位调制系统

光的调制是光纤传感的核心.光纤相位调制的基本物理效应包括应力应变效应和温度效应.其中应力应变效应是导致光相位改变的最基本的物理效应.应力应变传感装置结构模型原理如图2所示.

图2 光纤应变传感相位调制模型原理结构示意图

厚度为d的横梁对称地放置在中心间距为l、半径为 r的两固定圆柱之间,接触面可沿固定圆柱表面自由滑移.剥去外包层的裸光纤对称地紧贴在横梁一侧表面,并在左右两点固定,2个固定点之间的感应光纤长度为L.利用螺旋测微杆对横梁另一侧表面中点O施加应力,使横梁向固定有光纤的一侧凸起发生弯曲变形.此时横梁的上半部分受到张应力而伸长,下半部分受到压应力而缩短.由于传感光纤紧贴于横梁的表面且与横梁表面固定,因此横梁的弯曲形变对光纤产生应力作用,从而对光的相位产生调制.这时,光纤主要受到横梁弯曲所提供的纵向应力作用,传感光纤L段的改变量应等于横梁上表面L段的表层伸长量.设外力作用下横梁下表面中点O所移动的距离为Δh(可由螺旋测微杆测得).考虑到l≫(d+2r),在Δh较小时,横梁的弯曲面可近似看成圆弧面,上表面L段的表层伸长量可由其几何关系近似得出:

对于均匀、各向同性的单模石英光纤,在纵向应力作用下只产生纵向应变效应和弹光效应,泊松效应很弱,可以忽略.因此由弹性光学理论可得到光波相位的改变量为

其中λ0为光在真空中的波长,L和n分别为光纤的长度和折射率,ε3=ΔL/L为光纤的纵向应变,P12为光纤光弹性张量的 Pockel系数[2-3].将(1)式代入(2)式,得到

光纤温度传感系统由可控热源、温度计、光纤温度传感探头构成.可控热源可以设定所需加热的温度,在室温至100℃范围内提供均匀稳定、干燥的温度场.传感光纤去掉包层后缠绕在圆片金属支架上,置于温度场中.光纤传感的温度效应主要是热胀冷缩造成的光纤几何长度L的改变和温度变化所引起的光纤折射率n的改变,从而导致光纤中光波相位的改变.温度场的作用等效于应力应变场的作用,通常采用下式计算温度效应引起的相位变化

其中L(T0)和 n(T0)分别为在 T0温度时光纤的长度和折射率,α1为光纤的线性热膨胀系数,CT为光纤的光学折射率温度系数[3].

2.3 条纹显示计数系统

调制后的光信号必须进行解调,方可得到被测量的信息.由于响应频率的限制,目前光探测器只能探测光强度信号,而不能够直接探测光波的相位信号,因此需要利用光干涉方式,将光波的相位信号转换成强度信号,完成相位的解调才能够进行检测,即干涉测量.干涉测量是相位调制光纤传感的关键技术.利用M-Z干涉仪,可实现相位调制信号的解调.当被测量发生改变时,因调制作用所引起的两相干光之间的相位差Δφ也随之变化.Δφ的变化直接改变了干涉域光强的分布,使得干涉条纹在空间产生移动.相应,如果检测到干涉光强分布的变化就可以确定2束光之间的相位差的变化,根据其对应关系得到待测物理量的大小.因此,对于应变传感,由(3)式可得条纹移动数目N与螺旋测微杆的移动距离Δh之间满足

对于温度传感,由(4)式可得条纹移动数目 N与温度T之间满足

即条纹移动数目 N与T或Δh间均呈线性关系.

干涉条纹计数显示系统由CCD、光电检测电路及自动可逆计数器组成(见图1).干涉域的一部分光经平面反射镜反射后照射到CCD上,CCD采集干涉条纹图像并转换为视频信号,输入显示器放大显示干涉条纹图像及其移动情况;另一部分干涉光直接照射到1对带有狭缝的光电二极管上,进行光电信号检测转换,再经放大、滤波、整形电路处理后送入可逆计数器,自动记录干涉条纹移动的数目.

3 实验测试及分析

对所制作的全光纤M-Z相位调制干涉传感实验系统进行实验测试.光纤应力应变传感装置结构参量为:d=3.351 mm,L=280.0 mm,l=300.0 mm,2r=5.40 mm.轻轻缓慢旋转螺旋测微杆,每旋进(或后退)0.500 mm记录1次移动条纹计数 N.测微螺杆总的行程为5.500 mm.多次进退重复测量,移动条纹计数N取平均值.

采用最小二乘法对 N-h关系进行直线拟合如图3所示,N=65.042(16.648-h),线性相关系数为0.999 96,表明条纹移动数 N与测微杆读数h之间呈线性关系,亦即相位调制改变量Δφ与微应变ΔL呈良好的线性关系,与(3)式结论一致.直线拟合所得斜率为65.042 mm-1,对应相位调制光纤应变传感系数为9.792 rad/μm,即光纤长度每产生1μm形变,有1.558个条纹发生移动.He-Ne激光波长λ0=0.632 8μm,石英传感光纤的参量[2]n(25℃)=1.458,P12=0.274,代入(2)式计算得到相位调制光纤应力应变传感综合系数为10.26 rad/μm.测试结果与理论计算结果相差4.6%,二者基本一致,应变传感装置设计合理.

图3 相位调制光纤应变传感N-h实验测试关系曲线

应力应变传感实验测量误差主要来自测试环境因素以及装置加工制作精度的影响.由于传感系统对温度、震动等十分敏感,因此测量过程中环境温度的变化以及气流波动、操作抖动等都会引起测量的随机误差.另外实验装置结构参量 d,l,L以及r等的设计加工精度,也造成了实验测量的系统误差.

光纤温度传感测试采用WN Y-150A型数字测温仪来测量热源温度场的温度(最小分度值为0.1℃).从30℃开始,温度每升高5℃记录1次条纹移动数 N,热源最高温度设定在65℃.重复测量5次,取N的平均值.

同样采用最小二乘法对 N-T关系进行直线拟合,如图4所示,N=-384.6+12.77 T,线性相关系数为0.999 68,表明条纹移动数 N(对应温度场对光纤相位的调制)与温度 T呈良好线性关系,与(6)式的结论一致.直线拟合的斜率为12.77℃-1.考虑到温度传感光纤引入热源的实际分布,合理估计其有效感应长度约为0.550 m,则实验测得的光纤温度传感相位调制灵敏度为145.9 rad/(℃·m),即对于1 m长的光纤,温度每改变1℃,将会移动23.22个条纹.取石英光纤的参量[2-3]n(25 ℃)=1.458,α1=5.5×10-7℃-1,CT(λ0=0.632 8μm)=0.662×10-5℃-1,代入式(4)可得光纤温度传感相位调制灵敏度为103.8 rad/(℃·m).

图4 相位调制光纤温度传感N-T实验测试关系曲线

实验测得的光纤温度传感相位调制灵敏度远大于按(4)式计算的结果.究其原因主要为:

1)传感光纤的有效长度除了置于热源内部的部分之外,还包括处于温度场边缘的部分,因此实际参与温度感应的光纤长度大于处于热源内部的光纤长度;

2)传感光纤由于弯曲引起光纤折射率及其分布发生改变,使其随温度的变化特性与自由伸展的光纤折射率变化不一致,从而导致偏离理论关系[6-7];

3)传感光纤金属支架的热胀效应对传感光纤产生的应力作用所造成的影响;

4)测量过程中由于室内空调、操作者以及恒温热源等的影响使环境温度随时间而发生改变,影响测量结果.

因此增加温度感应光纤的有效长度,实验中保持其余光纤光路的温度稳定等对获得准确合理的实验结果非常重要.

4 结束语

本文通过对相位调制光纤传感及干涉测量技术的研究,设计制作了相位调制全光纤M-Z干涉传感教学实验测量系统.经过多次实验测试,系统性能稳定,各项指标均达到预期目标.透视化结构使得实验光路及工作原理直观明了,开放的光路便于实验项目的转换和扩充,非常适合于实验教学.干涉条纹图像化显示与移动条纹自动计数二者结合,使得实验现象直观明显,并可实现快速变化或大范围测量的实验过程,无需暗室环境或者借助显微仪器进行观测,教学和实验操作更加方便.应力应变传感装置设计精巧,通过梁的弯曲变形实现了微应变过程,原理简单、完善,可实现定量测量.通过该实验系统的教学,可以激发学生的学习兴趣,使学生了解光纤传感这一现代新型传感测试技术,进一步掌握相关的物理学基本概念和原理,了解光纤相位调制和解调的物理过程与方法,并得到光路调节、实验误差分析、思路扩展等科研技能的基本训练.

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[5]张权,朱玲,孙晴,等.光纤干涉系列实验教学的探索与实践[J].物理实验,2009,29(1):21-23.

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[7]蔡春平.光纤折射率的依赖因素[J].应用光学,2000,21(5):13-18.

[责任编辑:任德香]

Phase-modulated fiber optic sensing experiment

L IANG Chang-lin,WU Nian-le,ZHANG Lian-fang,WANG Chang-jiang
(Department of Physics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

A set of teaching experiment system for phase-modulated fiber op tic sensing is designed by using M ach-Zehnder interferometer,CCD,photo electronic detecting and reversible counter techniques.The temperature and strain sensing p roperties of the system are tested.

fiber;M ach-Zehnder interferometer;temperature sensing;strain sensing

O436.1

A

1005-4642(2010)11-0001-04

“第6届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-18;修改日期:2010-08-07

梁昌林(1972-),男,甘肃会宁人,清华大学实验物理教学中心工程师,博士,主要从事大学物理实验教学及薄膜材料与纳米材料研究工作.