基于光纤法布里—珀罗腔的振动测量技术研究

蒲金飞, 蒲俊吉, 吴宇列, 肖定邦, 吴学忠

(国防科技大学 智能科学学院,湖南 长沙 410073)

0 引 言

近年来,随着我国在基础设施建设、大型工程设备及装备等领域不断取得跨越式发展,高精度及可靠性良好需求下的工程设备的故障诊断技术受到了研究人员们的广泛关注。由于设备的振动信息所包含的工况内容最丰富,对于振动噪声的监测抑制往往制约着装备的稳定性及可靠性。特别是在航空航天领域内,由于航空发动机的原位振动严重影响航空器的寿命及安全可靠性,因此,如何实现高温工作环境下(500～700 ℃)航空发动机内部狭小空间振动信号的高精度测量具有重要的工程意义[1]。

目前最常见的振动传感器通常采用压电式原理,尽管其灵敏度和信噪比较高,但容易受到外部电磁环境干扰,且振动传感器大部分都是依赖进口[2],国产传感器在温度范围和测量精度等方面有较大差距[3]。基于法布里—珀罗腔的测量技术是一种高精度的光学干涉测量技术,具有结构简单、体积小、分辨率高、精度高等特点[4,5],近年来在振动测量中逐步得到研究。由于光纤具有耐高温,且抗干扰能力强的特点,在高温振动测量中也开始得到应用[6,7],但是目前光纤高温振动测量技术并不成熟。

本文构建了一种面向高温振动测量的光纤法布里—珀罗腔的振动测量系统,对其测量性能进行了深入研究,为构建应用于航空发动机的耐高温小体积的振动测量传感器提供了较好的技术基础。

1 光纤法布里—珀罗腔干涉测量的基本原理

1.1 光纤法布里—珀罗腔干涉测量原理

标准法布里—珀罗腔结构利用多反射光线将在上平板处发生反射光线干涉现象,反射光谱可表示为式(1)[8]

(1)

(2)

式中R1和R2分别为上平板和下平板反射率,φ为相邻反射光束相位差,n为腔体内介质的折射率。为表征法布里—珀罗腔反射光谱特性,引入用于表征法布里—珀罗腔可以分辨的最大波长差的参数Δλ

(3)

式中λ1和λ2分别为反射光谱中相邻两个波峰或波谷的波长。有别于标准法布里—珀罗腔结构,基于光纤传播的法布里—珀罗腔由光纤出射端表面与振动器件反射面组成,如图1(a)所示,由于光纤端部出射光束相较于准直光束发散角较大,仅有部分光束将反射进光纤内部,基于光纤传播的法布里—珀罗腔反射光谱可简化为双光束干涉模型,即式(4)

(4)

式中η为反射光耦合进入光纤的效率。由于耦合效率η受到包括腔长、光纤参数等多重影响,这里并不作理论分析,仅给出典型光纤法布里—珀罗腔反射谱随腔长变化的仿真特性曲线,如图1(b)所示,从中可以看出,随着腔长的增加反射率先减小后增加并最终维持一个稳定值[9]。

图1 光纤法布里—珀罗腔干涉测量原理

引入双光束干涉条纹对比度I表征干涉光谱特性

(5)

式中Rmax和Rmin分别为反射光谱相邻波峰谷的反射率,对比度随腔长的增加先增大后减小,其中在某一特定腔长处达到最大值1。

1.2 强度解调原理

为表征设备振动状态下,腔长变化所引起的反射率的变化,定义法布里—珀罗腔传感器的灵敏度为S,针对式(4)中的双光束干涉模型,可得[10]

(6)

式中L0为法布里—珀罗腔初始长度。若想确保传感器具有最大的灵敏度,则应保证sin(4πnL0/λ) =±1,即L0=(2m+1)λ/8n,m= 1,2,3...,此时

(7)

(8)

从式(5)和式(8)中可以发现,光纤法布里—珀罗腔灵敏度正比于反射光谱对比度,因此,对比度取最大时的腔长即为最优腔长,传感器此时处于最大灵敏度。

2 基于光纤法布里—珀罗的振动测量系统

搭建如图2所示的法布里—珀罗腔振动测量系统,其中包括可调谐激光模块、光反射模块、数据采集及分析模块等。1)可调谐激光模块：包括窄线宽调谐激光器,可形成中心波长1 550 nm,光谱覆盖范围为(1 550±10)nm的准直激光。2)光反射模块：包括光循环器、耦合器、单模光纤。可调谐激光器出射光耦合进入光循环器及单模光纤,并从光纤出射端垂直照射至振动器件,反射光以反向光路再次耦合进光循环器和耦合器。3)数据采集及分析模块：包括光功率计、光电探测器、数据采集卡、计算机。反射光由耦合器分光,一路功率计接收,实现反射光谱的实时检测；另一路由光电探测器接收并通过数据采集卡及计算机进行后处理。

图2 法布里—珀罗腔振动传感系统实物

3 工作点稳定性能研究

为了实现腔长变化与反射光强变化具有最大的线性区间,应保证传感器工作点位于线性区间的中心点,此时工作点对应的反射光强为中值光强,该点称为正交工作点(Q点)。由于传感器正常工作条件不仅受限于传感器自身性能及结构属性,还受到外界环境的影响,例如随外界环境振动而产生的腔长漂移,这使得传感器无法确保始终处于灵敏度最高的正交工作点。因此,必须引入反馈控制从而确保传感器的工作性能。

工作点的反馈控制主要包括两个步骤,首先，是确定正交工作点,利用可调谐激光器进行波长扫描从而确定扫描结果中的最大光强和最小光强,通过两点对应的波长计算出传感器最佳工作波长,最后控制激光器总是工作在该波长处。其次,当腔长漂移时光反射谱会发生实时变化,并使得最初确定的工作点发生改变,而这种漂移往往只会造成反射谱的相位变化,如图3所示,这就需要将原有工作点平移一个相位变化量并达到新的工作位置。

图3 反射谱随时间变化而发生相位漂移

如图4所示为Q点反馈控制的原理图,其中，曲线I1为t时刻的反射光谱,I2为t+Δt时刻的反射光谱。假定漂移不会造成光强的变化,则I2相对I1横向偏移Δλ的相位。

假设t+Δt时刻探测的激光波长为λ2c,光强为Ic,可以根据t时刻的原始数据计算当前光强下原始反射光谱所对应的波长λ1c,此时就可以计算出波长漂移量

Δλ=λ2c-λ1c

(9)

此时t+Δt时刻的Q点波长即为

λ2Q=λ1Q+Δλ=λ1Q+λ2c-λ1c

(10)

图4 Q点反馈控制原理

对传感器进行工作稳定性测试实验。在完成初次反射谱扫描后确定传感器Q点所对应的最佳波长,并将可调谐激光器的输出波长设置为Q点波长,利用光电探测器首先测试无外部反馈控制的光强信号,如图5(a)所示。可以看出在腔长固定的情况下反射光强仍然发生了明显的漂移,而在引入式(10)的控制算法后,利用比例控制对于反射光强进行了明显改善,其中信号毛刺来源于切换波长过程带来的噪声。

图5 Q点稳定性测试

4 高频率振动测量

采用陶瓷压电片作为振动器件,首先利用激光测振仪系统配合锁相放大器实现对压电片的扫频分析,从而确定其振动频率及幅值。之后利用光纤法布里—珀罗腔振动测量系统对高频驱动下压电片的振动信号进行测试,从而验证该系统对于高频率振动的响应性能。

通过锁相放大器可以得到陶瓷压电片的多个谐振频率,为实现光纤测量系统对于高频振动的测量,选取40 kHz 的谐振频率作为驱动频率。在完成对光纤法布里—珀罗腔在Q点的反馈控制后,通过信号发生器激振陶瓷压电片,其频域信号如图6(a)所示,当压电片开始激振时该系统存在明显的响应信号,通过分析功率谱可以看到频率为40 kHz时存在明显的谐振峰值,这表明测量系统可以实现高频振动的测量。但通过增大激振电压并不能改变功率谱的谐振峰值,这是因为压电片的振动幅值已经超过了激光波长的1/4即该系统的线性工作区间,信号处于饱和状态。

图6 利用光纤系统进行陶瓷压电片的频谱分析

5 小振动测量

5.1 激光测振仪系统小振动测试

作为法布里—珀罗腔振动传感系统的对照标定,首先利用激光测振仪系统对周期振动的杯型陀螺仪进行信号测试。选取杯型陀螺仪内圈为测试点,驱动频率为一阶模态振动频率,如图7(a),驱动电压分别为1,5,10,50,100 mV从而得到陀螺振动幅值—驱动电压拟合曲线,如图7(b)。不难发现,工作在谐振频率下陀螺的振动幅值与驱动电压存在明显的线性关系。

图7 激光测振仪系统小振动测试

5.2 法布里—珀罗腔振动测量系统小振动测试与标定

为获得较大灵敏度,选取反射谱消光比约20 dB所对应的腔长为最佳腔长。采用5.1节所述驱动电压得到测量数据并计算出测定数据的功率谱密度,如图8(a),由此得到标定曲线如图8(b)。

图8 法布里—珀罗腔振动传感系统小振动测试

实验结果表明,法布里—珀罗腔振动传感系统实现了对杯型陀螺仪振动信号的测试并表达了很好的线性关系,由于其功率谱本底噪声为-90 dB可知,系统可以实现最高精度0.05 nm的振动信号测量。

6 结 论

本文首先从理论上分析了光纤法布里—珀罗腔结构的振动传感系统测试原理,其次根据测试机理搭建了光纤法布里—珀罗腔振动传感系统。分别开展了工作点稳定性能研究、高频率振动测量和小振动测量研究。结果表明:利用比例反馈控制算法实现了对反射谱相位漂移的抑制,并实现了对40 kHz高频振动的压电片及0.05 nm小幅振动的杯型陀螺仪的测试,这对于未来高温条件下航空发动机内振动信号高精度测量及诊断抑制具有重要意义。在后续工作中可以进一步抑制环境及激光本体噪声,提高法布里—珀罗腔振动传感系统的测量精度并拓展其工程应用范围。