英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
使用光纤链路的无源干涉仪的远程位移测量
摘要
使用多模光纤链路的Fabry Perot腔的远程位移测量证明。感应腔调制，作为其长度的函数，发光二极管的光谱（LED）。光通过光纤返回，并由可调谐参考腔分析。一个闭环控制导致参考腔跟踪传感腔长度在2 x 10-12米。位移范围为2times;10-6 M参考腔长度测量的干涉，使用激光，得到传感腔长。该传感技术的优点包括多模光纤组件的兼容性，光损失的高免疫力，动态范围大。
本文报道了一种双干涉仪系统远程位移测量的实施。一个可调谐的参考干涉仪补偿无源传感干涉仪中提出了使用。4 Cielo的方案，该干涉仪腔单模光纤Fabry Perot几乎相同的长度。在本文中，干涉仪是由块状光学器件。一种反射式Fabry Perot腔模拟点传感器。多模光纤提供的链接到远程定位传感器。参考腔是非平衡迈克尔逊干涉仪。可调参考腔允许闭环相位补偿的传感器输出。参考腔体将位于与电子，在一个良性的环境。一个发光二极管（LED）的来源。此源的低相干性是该系统运行的关键。如果光分别通过两个腔传输，不会产生干扰。当光线通过腔传染，叠加的结果所产生的干涉条纹。5有一个阶段是对不同的空腔长度的影响比例。最大灵敏度为可以保持传感腔长度的变化通过调整参考腔。闭环控制使基准腔跟踪传感腔的长度变化。这种相位跟踪技术增加了动态范围，并提供高免疫力的光损失的影响。所使用的相位补偿技术类似于先前应用于无效直流相移的有源光纤陀螺仪随着腔体锁定，测量的参考腔的长度允许一个推断传感腔位移。这种测量是进行ferometrically间He-Ne激光。一个阶段的阅读相readingsignal处理技术应用。9 8这种技术已经发展到分析的被动光纤陀螺仪的输出。该方法具有数字输出和动态范围宽的优点。
介绍
纤维光学领域的快速发展，促使大量的研究，应用这一技术—传感器技术。电无源光纤传感器在高电磁干扰环境中有显著优势。光纤传感器在高温下也有优势，高腐蚀性或爆炸性环境。由于传感器可以构造成各种物理参数的光路径长度的变化，干涉仪可能适用于多种类型的传感器。从单模光纤构造的干涉仪已证明的能力来检测非常小的变化，在光纤臂的光路长度。然而，传感器采用光纤作为传感元件，在因子的分布式传感器。这是一个不足，当点的测量是必需的。另一个缺点是光纤的光程长度对温度的高灵敏度。如果直流测量是必需的，温度补偿将是困难的。使用一个光学Fabry Perot干涉仪作为传感元件，应提供一个温度补偿点传感器的设计更大的灵活性。这种情况下的光纤用来传输光被动传感器和电活性成分。光纤链路允许所有的电气元件位于一个良性的环境中。
分析
导出的公式推导出的强度时，宽带光被反射从Fabry Perot干涉仪，然后通过MI传输—契尔森干涉仪（见图1示意图）。
图1
此推导紧随其后，通过两个Fabry Perot干涉仪的传输。5源有一个光谱强度分布II（K），其中k是角波数反射Fabry Perot传感腔和迈克尔逊参考干涉仪光谱传递函数H（k）和人力资源（K），分别。通过两个空腔传输的光的强度是
(1)
的1 / 4的因素表示的光束分束器，它指示从传感反射的光的双向损耗腔进入参考干涉仪，否则，元素被假定为无损。两个腔的光谱传递函数
传感腔和参考腔的光学长度分别是r和r。的Fabry Perot反射镜之间的间隙是是Fabry Perot反射镜的反射率。反射相变被假定为7R一镜的迈克尔逊—干涉被长红外在双臂的平衡点。反射率迈克尔逊分束器假定为50%。内部和外部的相位变化的差异来自迈克尔逊光束分离器的反射。实际的重要性的情况发生时，空腔长度比源相干长度大得多。发射功率将依赖于腔长除非本/irapproaches两个整数的比。考虑实际腔长误差较小的情况下，腔的长度几乎相等（IS / IR 1）。子建立地震后。（2）及（3）入Eq.（1）及消除这些条款经常改变签署—集成的主要，5的发送强度给出通过
源被假定为具有统一强度和高斯谱分布对称波数约。如果光谱宽度AF点之间的宽度，谱密度等于峰值除以E，然后
Eq.（5）被代入等式（4）中，积分估计为
(6)
参数v Eqs。（6）和（9）是表示为一个函数的源的相干性程度—干涉光束总光程差的一半。对于腔长度的差异相比，源的相干长度的一半，即，- - Ir 1 / U，v是约团结。方程
（6）由同一光源照射的平衡双光束干涉仪的输出形式与输出方程相同。然而，单干涉仪的路径长度被替换的双干涉仪的长度的差异。同时，系数和A1不同的单、双干涉仪。在平衡的双光束干涉仪，两系数一半大小。对于双干涉仪、AO和Al利用地震反射镜的反射率测定。（7）及（8）。
最大灵敏度的相对位sensingcavitymirrorsoccurswhen2k（1－IR）- p =7r / 2。灵敏度与铝成正比。从情商（8），峰值灵敏度确定结果为R = 0.41，其中铝= 0.021。这双干涉仪系统与平衡单干涉仪相比灵敏度是由0.5/0.021或至少减少23个因素。探测器的光学散粒噪声与光强的平方根成正比。在最大的敏感点，强度比例AO。选择镜面反射率最大化铝/ V { AO将优化信号的比例散粒噪声.最大信噪比发生在r = 0.28。
实验说明
图2
用双干涉仪测量了一个缓慢变化的位移的远程测量.系统如图2所示，波长为830 nm—发光二极管的来源。从LED传输到远程传感干涉仪通过10米长的多模光纤光。纤维与100 um直径和0.3的数值孔径台阶指数。四分之一间距梯度折射率（GI）杆微透镜贴在光纤端部。梯度折射率透镜准直光，提供有效的耦合之间的光纤传感腔。感测腔是Fabry Perot干涉仪—包括两个80%反射镜有缺口4。感应腔的长度是- 200um。一个反射镜安装在piezoelectrictranslator（PZT）。压电陶瓷用于模拟一个缓慢变化的传感器信号。从感测腔反射通过光纤返回，并反映由分束器（BS）。光经调谐参考干涉仪是由硅光电二极管（PD）检测。基准腔是迈克尔逊干涉仪。它的手臂有一个长度不平衡R的参考腔长度IR是大约等于传感腔。其中一个参考腔镜安装在压电转换器，以提供两个高频调制的参考路径和调谐其平均值。这个翻译有一个2米的位移范围，参考路径模型模拟与一个恒定幅度在1千赫。irinto取代现有的一部分的时变与静止部件。
Eq.（6）给出了随时间变化的光电二极管电流。光电二极管的输出同步解调—同时在相敏解调器的抖动频率。经过低通滤波，解调信号的关系是在空腔长度的不同功能。这个函数是正弦变化的振幅，是由
常数k是依赖于光功率入射在光电探测器上，这两个腔的干涉效果和效率，路径调制应用于参考腔的大小。函数V反映了光学相干性的降低，因为两个腔的相对不平衡增加。当源相干长度远大于路径调制幅度时，V等于（V）中的函数V（6）。图3说明了DE—解调信号的E上的差异性腔长。参考路径被调制在一个固定的偏置振幅不变，而传感腔可调谐镜慢慢反在距离相关规律。解调信号绘制与施加到感测腔PZT的电压。E周期的变化是由于压电转换器的非线性。总路径差，2（1 - IR），其中LED的程度的连贯性降低到1 / E，被确定为- 8MIM。在空腔长度差异小的情况下相关信号的解调可以近似的相等。
图3
这个信号是用于相位补偿电路的误差信号。伺服控制调节参考干涉仪的偏置点，使空腔的相对相位差变为零。参照示意图—位上腔控制电路显示在上部。
图4
图4 由于参考干涉仪分束器有金属涂层，S°为非零。这会产生一个恒定的腔长度偏移时系统运行闭环，锁定到特定的边缘顺序，参考腔必须位于伺服控制启动前所需的边缘。所需的零阶干扰参考腔的位置可以通过翻译抖动参考镜和记录解调信号的确定。零相位差一点是在解调后的信号经过零与最大坡度。这一点如图3所示。在零级条纹的操作能够降低光源波长变化的影响。伺服控制被激活后，参考腔将跟踪任何进一步的传感器位移到镜像转换器的限制.一旦被锁定的空腔，测量的参考腔的长度将给感测腔安置。这种测量方法进行ferometrically间用He-Ne激光。这提供了一个测量空腔长度相对于在启动。从He-Ne激光器的光通过参考干涉仪同轴的830 nm波长的光返回从传感器。在两个波长的光通过光学带通滤波器（BPF）分离和定向到单独的光电探测器（PD）。检测到630 nm波长的光的光电二极管的输出具有调制频率的倍数的频谱分量。同步解调的信号在基波频率和二次谐波产生的信号成正比的罪（2k#39;lr）和cos（2k#39;lr），分别在K是角波数的He-Ne emission.10这些信号干涉路径参考输入灵敏度将每个消退为零的长度旅行/4在。然而，当一个组件是零灵敏度的其他组件是在峰值灵敏度。使用这两个组件可以给出在大路径中不褪色的输出游览。
获得一个不褪色的测量在一二光束干涉仪直流相移了光纤陀螺的一个简单的技术。8 9是固定振幅调制相位干涉仪。检测器输出在调制频率处被选通。选通信号的带通滤波的调制频率的两倍。必须适当调整选通延迟和相位调制幅度。当滤波信号的振幅与干涉仪相位无关时，正确对准。滤波后的信号进行相位延迟等于该干涉仪的相位移。
参考腔测量电路的示意图如图4所示。路径调制信号被延迟以提供门控信号。这个信号驱动一个模拟开关。开关门的光电二极管输出的交流部分。门控信号的二次谐波的相位提取由窄带宽锁相环。使用数字计数器测量锁相环振荡器相对于选通信号的延迟。计数器的输出给出了参考腔长度。
- 实验结果
作为评估系统性能的第一步，最小检测到的直流位移测量与系统运行开环。随着腔最初零相位差，灵敏度为置换E的一个感应腔镜是利用式（11）：
该参考腔调制振幅调整的长度测量电路的正确操作。此振幅为150纳米。调制频率为1千赫。一个锁定分析仪，同步的调制信号，被用来衡量E在情商（10）。通过调整参考腔的偏置点，以最大限度地提高锁定输出，K的大小被确定。被移除的参考路径调制。在调制频率的相位噪声是通过锁定的均方根噪声选择测量。锁定的噪声等效带宽为1赫兹。入射光功率为5 mW的探测器。测得的噪声被认为是等于计算出的散粒噪声。利用式（12），确定为7times;10-13米/ Hz的最小可探测镜位移。
相位调零伺服控制被激活。观察跟踪热诱导的长度变化的传感腔参考腔。光电二极管信号解调的锁定分析仪。锁定的噪声等效带宽为1赫兹。时间如图5所示，方程（第12）用于将锁定输出转换为镜像位移。参考腔跟踪感测腔长度为2 x 10-12米期间的RMS偏差1分钟。
图5
操作的闭环控制的范围内的参考腔镜翻译，然后证明。基准腔测量系统的评价，同时进行。同时，氦氖信号解调的基本频率和二次谐波锁inanalyzers使用。锁定输出记录，以获得一个独立的基准腔长度的措施。锁定输出归一化其最大值。然后进行适当的逆三角函数，以获得两个长度测量。这两个测量的干涉仪长度互补领域高精度。测量精度最高的选择，以获得一个单一的测量基准腔长度。
图6图的镜像位移测量联合使用的基波和二次谐波与数字相位测量电路。图6中绘制了代表性的数据点。对于100个数据点,两者的均方根偏差测量1R为7times;10-10 M.在前—然后，参考腔长变化跟踪传感腔漂移。两测1rwas很大程度上是由于不同时间测量电路的响应之间的差异。
为了获得一个更好的估计的基准腔测量系统的分辨率，一个更稳定的传感腔被取代。两镜是由一个单一的显微镜载玻片盖玻片的230 mmthickness取代。镜面玻璃表面反射率为4%。与参考腔偏置1八月1985 /第24卷第15号/应用光学2339最大的灵敏度，在玻璃罩的光学厚度最小可察觉的改变，是开采的是3times;10-13 M.伺服控制阻止被激活，和参考腔的数字计数器测量电路被设定为2-仲平均时间。基准腔的均方根偏差长度测量是5times;10-11 M在一段“1分钟。
结语
远程位移测量已经演示使用被动的干涉仪的光纤链路。遥感其他参数将需要合适的传感器。这种技术可以很容易地应用于测量压力传感膜片的偏转。为了检测温度，腔板之间的间隙可以由间距元件的热膨胀双腔传感技术是与廉价和易于维护的多模光纤组件的兼容性。缓慢变化的参数的测量的一个重要优点是这种技术的高免疫力的变化的光学损失，此外，这种技术是一个大动态范围，本系统适用于—搜索应用程序。但是，对于控制应用程序，更紧凑的系统是可取的。例如，迈克尔逊参考干涉仪可以由一个较小的Fabry Perot腔取代。参考腔的长度可以测量电容，消除了氦氖激光。这种方法将提供一个绝对的测量空腔的差距，而不是目前的措施相对位移在启动位置。
参考文献
-
- T. G. Giallorenzi, J. A. Bucaro, A. Dandridge, G. H. Sigel, Jr., J.H. Cole, S. C., Rashleigh, and R. G. Priest, 'Optical Fiber SensorTechnology,' IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 626 (1982).
- D. A. Jackson, A. Dandridge, and S. K. Sheem, 'Measurement of Small Phase Shifts Using a Single-Mode Optical-Fiber Inter-ferometer,' Opt. Lett. 5, 139 (1980). <li
全文共8335字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[144820]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
</li
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
