一种新型传感用补偿光纤干涉仪的研制

吴国军，李东明，徐汉锋，王 巍

（中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江杭州 320012）

0 引言

某光纤传感设备中，补偿干涉仪安装于发射机箱中，用于补偿光纤传感探头的臂长差，降低系统的相位噪声，同时可以加载解调载波信号和声参考信号，用于系统解调算法的解调。若补偿干涉仪对外界环境的抗噪性能差，将会提高设备整机系统的相位噪声本底，降低传感器的探测性能。当把安装有补偿干涉仪的设备作简单的隔振处理，放置在机房中，此时设备的整机背景噪声为-80 dB左右。根据项目要求研制了一种新型补偿干涉仪，提高了其对外界环境的抗噪性能，降低了设备的相位噪声本底。

1 光路测试系统

图1所示为光纤传感设备使用的PGC外调制方案，将光纤绕在压电陶瓷上，通过给压电陶瓷提供交流驱动电压，利用其电致伸缩效应拉伸光纤，产生载波相位。外调制原理是外加的信号周期性地改变干涉光的相位差，从而产生稳定的相位调制。外调制产生的相位差为[1]：

其中p为压电陶瓷在驱动电压下产生的相位变化的幅值。τ为水听器臂长差L产生的时延，τ=2nL/c，f为驱动调制频率，n为纤芯有效折射率，c为光速。

图1 PGC外调制方案

光纤干涉补偿仪对外界振动和噪声很敏感，作为光纤传感设备中一个重要模块，该模块的抗干扰性能直接影响系统噪声和解调效果。

设计思路是将光路系统中的光纤补偿干涉仪整体封装成一个模块，用于光纤传感设备中。

2 结构设计

对光纤干涉补偿仪进行相关的结构设计，包括隔声设计、减振设计及吸声设计。

2.1 隔声设计

隔声是使用一定结构来隔绝空气中传播的噪声，从而获得安静的环境。声学技术中的空气隔声理论及隔声量计算依据质量定律，其表述为隔声件质量m或声频f加倍，隔声量相应增加6 dB左右。

结构隔声主要有单层结构隔声和双层结构隔声，其示意图如图2所示。

图2 单、双层结构隔声示意

采用图2中左图的单层结构隔声时，依据质量定律把板厚h增大一倍时，隔声量提高约6 dB。对隔声量影响最大的是第一共振频率f0，设计时要求共振频率低于敏感声频率f。

单层结构隔声的第一共振频率计算公式2为：

式中：ρ为构件的密度（kg/m3）；

h为构件的厚度（m）。

如图2（b）所示，双层结构隔声是在两结构之间存在一定的空气层，此时获得的隔声量要大于6 dB。

双层结构共振频率计算公式[3]：

式（2）中： ρ1、 ρ2为两层板的密度（kg/m3）；

h1、h2为两层板各自的厚度（m）；

ρ为空气密度，常温为1.18 kg/m3；

c为常温下声速344 m/s；

d为两层结构间空气层厚度（m）。

由于按相关标准已完成设备结构的设计及加工，光纤补偿干涉仪作为一个模块必须按照一定的方式安装在设备中。安装光纤补偿干涉仪的插箱外形尺寸为300 mm 95 mm 40 mm，插箱材质为铝合金，钣金壁厚为4 mm。

若采用单层隔声设计，按公式（1）得到第一共振频率为f0=2 887 Hz，远远大于敏感声频率f。故单层隔声设计满足不了声学上的指标。

基于光纤补偿干涉仪的插箱结构尺寸，结合结构特定，采用双层结构隔声设计。如图3所示为产品内外层结构示意图，外层结构为光纤补偿干涉仪的插箱，内层为内保护盒。

根据插箱及内保护盒中相关器件布局特定，空气层厚度d最小处设计尺寸为10 mm。外层厚度h1为4 mm，密度ρ1为2.7 103kg/m3；内层厚度h2为3 mm，密度 ρ1为7.8 103kg/m3。代入公式（2），得到共振频率f0为218 Hz。

图3 产品内外层结构示意图

综合尺寸限制及机箱内器件的布局情况，选用隔声效果更优的双层结构隔声。

如图4为内层结构立体图，内层结构设计成一个盒体，其既可用于隔声，又用作保护光纤及器件。内层盒底部上安装有陶瓷环和绕线骨架，两者上下面都粘贴特定厚度的海绵橡胶板用于隔振。陶瓷环上绕加载调制的光纤，绕线骨架上缠绕剩余的补偿光纤。

在保护盒的各个缝隙处，粘贴海绵橡胶条。在补偿干涉仪的内层结构的内外表面和外层结构内表面涂覆阻尼涂料。

图4 内层结构立体图

2.2 减振设计

隔振设计是使用隔振元件来达到隔振，隔振元件包括隔振垫层和隔振器。

隔振垫层利用本身的自然特性，置于需要隔振的基座下。常见的隔振垫层有软木、毛毡、橡胶、海绵、玻璃纤维、泡沫塑料等。

隔振器是一种弹性支撑元件，是通过专门设计而制造出来的器件，主要包括油压隔振器、弹簧隔振器、橡胶隔振器、钢丝绳隔振器[4]。

光纤补偿干涉仪插箱竖直安装在光纤传感设备机箱中，要求能隔离低频振动信号；光纤传感设备机箱的装配要求方便。综合以上两方面，项目中选用钢丝绳隔振器[5]。

隔振器实际安装如图5所示，采用钢丝绳隔振器来进行光纤补偿干涉仪插箱内层保护盒的隔振。上下层共安装6只钢丝绳隔振器，上层3只吊装，下层3只垂向支承，错位分布。

图5 隔振器安装图

减振系统为无阻尼单自由度系统，其理论模型见图6所示，采用一个质量、两个弹簧并联的模型，该系统固有角频率计算公式为：

其中：k1=3 k，k2=3 k

k为单个隔振器弹簧刚度（N/cm）；

m为内盒体总质量（kg）。

钢丝绳隔振器选用国标产品，其刚度系数可按公式：

式中：Δ为该型钢丝绳隔振器刚度系数加权比例值；

G为切变模量（Pa）；

d为钢丝绳直径（cm）；

N为弹簧有效圈数；

D为弹簧中径（cm）。

通过相关理论计算及实际试验结论，该隔振系统峰值响应频率在20 Hz左右。

2.3 吸声设计

声波入射到媒介分界面上时声能的减少过程称为吸声。

为进一步提高干涉仪对外界环境的抗噪性能，在隔声设计的基础上进行吸声设计。结合光纤补偿干涉仪的插箱空间尺寸，吸声设计的工程操作如下：

1）在内层结构内外表面粘贴阻燃聚氨酯声学泡沫。

2）在内外层结构的空气腔中填充防水超细玻璃棉。该类型玻璃棉具有防水、质轻、柔软、安装时不太刺激皮肤等优点。适当增加超细棉的体密度，可以改善低频吸声性能。

图6 减振系统理论模型

内层结构内部填充防水超细玻璃棉后的整体效果图如图7所示。

图7 内层结构实物图

外层结构填充防水超细玻璃棉后的整体效果图如图8所示。

图8 光纤补偿干涉仪整体实物图

3 效果验证

通过图1所示的光路测试系统进行系统相位噪声的测量。

测试采用新型补偿干涉仪的系统相位噪声，同时与采用旧结构补偿干涉仪的系统相位噪声进行比较，为图9(a)所示的两种情况下的趋势图。其中图9(a)的曲线A为旧结构补偿干涉仪的系统相位噪声，具体数值见图9（b），其中图9(a)的曲线B为新结构补偿干涉仪的系统相位噪声，具体数值见图9（c）。

图9 系统噪声

表1 新旧干涉仪下几个频点的噪声值

原样机旧补偿干涉仪下测试的系统噪声、新改进干涉仪下测试的系统噪声谱线见图9所示，表1为两者在几个频点的噪声值对比：

应用于某项目中，试验发现采用新型结构补偿光纤干涉仪后，整个系统的本底噪声得到了降低，1 kHz位置降低了约16 dB，100 Hz位置降低了约15 dB，提高了系统的探测性能。

［1］孟克.光纤干涉测量技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008.

［2］康玉成.建筑隔声设计-空气隔声技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［3］马大猷.噪声与振动控制工程手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［4］GJB 6412-2008.舰船用钢丝绳隔振器规范［S］.

［5］骆意.新型钢丝绳隔振器设计及其特性研究［D］.重庆：重庆大学，2012.