陈海滨,陈青青,王可宁,王 伟,张雄星

(西安工业大学光电工程学院,西安 710021)

随着现代工业及科学技术的爆发式发展,对精密位移传感技术的要求越来越高。人们已经开发出多种不同量程、不同精度、不同传感测量机制的机械式[1]、电子式[2]和光学式[3]精密位移传感器,以满足不同的需求。其中,光纤位移传感器作为一种光学式精密位移传感技术,与传统的机械式、电子式位移传感器相比,具有免受电磁干扰、电绝缘、化学钝性、灵敏度高等特点,相比于常规光学式位移传感器,体积更小、结构更为紧凑、使用更为灵活。因此光纤位移传感技术受到了各国学术界和产业界的重点关注,并被深入研究,目前已有多种光纤位移传感测量机制被提出。

典型的光纤位移传感技术,包括光纤光栅式位移传感技术[4]、激光干涉式光纤位移传感技术[5]以及白光干涉式光纤位移传感技术[6]等。其中,光纤光栅式位移传感技术,利用待测目标移动引起的应变对光纤布拉格光栅反射波长峰值位置的影响,实现精密位移传感,具有较高的灵敏度,但需要采用复杂精密的机械封装,量程较小,并存在对环境温度影响较为敏感的缺点[7]。激光干涉式光纤位移传感技术,通常采用马赫-增德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪式的结构实现位移测量[8],其位移分辨率可以达到1 nm,但也存在测量范围小,易受环境干扰的问题。加拿大PhotonTech的Jesse Zheng还提出了一种基于激光调频连续波的干涉式位移传感器,可以在1 mm的范围内实现0.08 μm精度的位移测量,但需要采用特殊的线性调频激光,在技术实现上,存在一定的难度和复杂性[9]。白光干涉式光纤位移传感技术,利用宽频谱、低相干的宽带光源照射与待测目标位移有关的传感干涉仪结构,通过对干涉光谱的分析,解算待测目标位移,可以实现纳米以及亚纳米的分辨率,如果使用光纤FP腔型位移传感器,易于实现复合FP腔传感器或者多个位移传感器的复用[10-12]。结合光纤FP腔和白光干涉技术的光纤位移传感器,一般采用SLD或者ASE光源,通常功率较低,限定了位移测量范围。EDFA作为宽带光源,虽然光学功率密度谱的均匀程度不及SLD或者ASE光源,但具有更宽的工作范围,更高的功率输出,并且输出光功率易于调节,结合光纤FP腔结构,可实现较大范围内的精密位移传感。

本文使用空芯石英光纤内置普通单模光纤制作的可动式光纤FP干涉式位移传感器,以EDFA作为宽带光源,提出了一种新颖的光纤位移传感测量方案,并搭建了相应的精密位移传感系统对其可行性做了实验验证。

1 光纤FP腔位移传感器的结构与制作

光纤法布里-珀罗(FP)位移传感器由两段单模熔石英光纤和一段空芯熔石英光纤构成,其结构如图1所示。

图1 光纤FP腔位移传感器结构示意图

图1中,单模光纤使用美国康宁的单模裸光纤,型号G652D,纤芯9 μm,除去涂覆层后外径125 μm。空芯光纤使用四川领航光瑞科技有限公司的空芯光纤,型号LHKX128,内径128 μm,外径320 μm,并截取空芯光纤长度30 mm。它是一种典型的非本征光纤传型法布里-珀罗感器(EFPI),两段单模光纤的端面均与光纤轴线垂直,并相互平行,构成FP腔。去除两段单模光纤端面附近一定长度的涂覆层后,用光纤切割刀切割端面,并对光纤端面做抛光处理,保证两个光纤端面的绝对平整;两段单模光纤均使用五维调节架在显微镜下对入空芯光纤[13]。将左侧光纤(入射端)使用紫外固化胶与空芯光纤粘结固定,构成固定端,而另一侧光纤则相对空芯光纤可自由移动,构成移动端。将移动端与待测物体固定,因此可随待测物体一起移动。该腔长可变,且非本征型光纤FP腔的腔长变化量与待测物体位移量一致,所以,通过测量FP腔的腔长,即可实现待测物体位移的传感测量。

2 传感测量原理

光波由光纤通过FP腔位移传感器的固定端入射,在FP腔固定端端面被部分反射,部分透射,部分透射光由固定端端面出射后,继续在FP腔内传播,遇到FP腔移动端端面,并发生部分反射部分透射,移动端端面的反射光在重新回到固定端端面入射进入光纤时,与固定端端面的部分反射光发生干涉,如图1所示。

根据多光束干涉理论,由光纤FP腔位移传感器返回的光,其强度由固定端端面与移动端端面反射光之间的相位决定。由于所使用单模光纤材料为熔石英,折射率为1.45,光纤FP腔的两个端面反射率很低,可近似视为双光束干涉。

根据多光束干涉理论,FP位移传感器的光纤FP腔对入射光波的反射率,满足干涉公式:

(1)

(2)

式中:Ir、Ii为参与干涉的反射光、入射光光强,R为光纤端面反射率,n为空气折射率,λ为光波波长,L为腔长[14],光程差为2nL,光强是两端面相位差的函数[15]。由式(1),φ每改变2π,RFP的大小会经过一个周期的变化,由式(2),L和λ均会引起相位变化。假定,入射光用一个宽光谱光源,改变L的大小,不同波长光反射率存在差异性,因此用光谱仪接收探测反射光的光谱,会出现因干涉现象而叠加的干涉图样。

该测量方法是根据腔长一定时,同时跟踪两个或者两个以上谱峰的波长位置来实现绝对腔长的解算。对于光谱图中的任意的两个谱峰波长λm-q>λm,q为两波峰之间周期数量,且两波长同时满足:

2nL=mλm

(3)

2nL=(m-q)λm-q

(4)

联立式(3)、式(4)可得:

(5)

故可得腔长:

(6)

综上所述,通过光谱上两个功率密度最大值所对应波长,及它们之间所间隔的周期数量,可以推算出腔长L,实现位移测量。

因为FP传感器法珀腔为空气腔,固n=1,则由式(3)、式(4)两个谱峰可获得相应的波长变化量为:

(7)

式(6)可近似为:

(8)

对式(8)两边求微分可得腔长测量的相对误差为:

(9)

将式(7)带入式(9)中可得:

(10)

式中:δΔλ为λm的测量误差,由此可知该解调方法的测量误差跟干涉级次m、光谱分析仪的波长分辨率以及两波峰之间的周期数量均有关系。可以通过多次测量求取平均值或增加周期数目的方法降低干涉级次和波长分辨率误差对解调位移精度的影响。

3 传感系统及实验分析

光纤FP位移传感系统主要由掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤环行器、光纤FP位移传感器、光纤光谱分析仪、以及一维精密位移台构成,如图2所示。将光纤FP位移传感器的空芯光纤及固定端单模光纤固定在一个光纤固定台上,可动端单模光纤与一维精密位移台固定,使得可动端单模光纤可随一维精密位移台一起移动。

图2 光纤FP位移传感系统简图

EDFA的自发辐射光作为整个系统的光源输入,其光谱覆盖1 515 nm～1 580 nm,如图3(a)所示,另外,通过光功率计测得其自发辐射光功率在0～62 mW之间可调。EDFA发出的光由光纤环行器的1端口入射,2端口出射,并照射到光纤FP位移传感器上,此时FP腔固定端和移动端两个光纤端面的前后反射光发生双光束干涉,干涉光从光纤环行器的2端口入射,3端口出射,并被光纤光谱分析仪接收,便获得了光纤FP位移传感器的反射光谱,如图3(b)所示。分析反射光谱,通过多峰检测法即可得到光纤FP位移传感器的绝对腔长,从而得到一维位移台(即待测目标)的绝对位移。

P.D.表示功率谱密度图3 EDFA照射下的位移传感器反射光谱图

系统中将FP位移传感器的移动端固定在一维精密位移台上,首先将移动端面通过一维精密位移台与固定端面贴住,并实时在显微镜下观看,以免损伤端面。当移动端与固定端贴住时,此时光纤光谱分析仪无反射干涉光谱,只有EDFA的自发辐射光谱。通过精密位移台移动移动端光纤,使其远离固定端,当光谱分析仪上出现反射干涉光谱时,记录该位置,并将该位置记录为初始腔长,该过程中没有弹性形变。随之,使一维精密位移台从左向右移动,随着位移的增大,光纤FP腔的腔长逐渐增大,光纤光谱仪所得双光束干涉所形成的波峰波谷的位置向长波长方向移动,同时波峰波谷之间的间距逐渐变小,干涉光谱波峰波谷之间的对比度逐渐降低,如图4所示。

图4 不同腔长下光纤FP腔位移传感器的反射光谱

以0.5 mm为间隔记录光谱数据,并通过多峰检测法计算光纤FP位移传感器的腔长,可得光纤FP位移传感器FP腔腔长与一维精密位移台位移量之间的关系,如图5(a)所示。可见,光纤FP位移传感器的FP腔腔长与位移量之间有着很好的线性关系。另外,计算了各点位置一维精密位移台等间隔移动0.5 mm时,腔长的相对变化量,如图5(b)所示,当一维精密位移台移动0.5 mm时,FP腔腔长的变化量也在0.5 mm附近,且误差都在1 μm以下。进一步,为了验证该测量方法可以分辨1 μm的位移,系统采用型号XM10AC3-CL、最小分辨率0.5 μm且最大行程为13 mm的精密位移台来验证。将FP位移传感器的移动端固定在该精密位移台上,并移动传感器移动端,使腔长为5.2 mm,在此基础上移动精密位移台增加和减小位移,且位移间隔以1 μm作为测试点,同时做往复循环测量,确保数据的准确性,其测量结果如下图6所示。结果表明,当位移变化1 μm时,采用此测量方案可以有效分辨,验证了实验的可行性。事实上,这里的测量误差是环境振动造成的,如果隔离外部振动,最终测量的精确度由光纤光谱分析仪的光谱分辨率以及所使用的位移解算算法决定。

图6 1 μm间隔位移测量曲线

图5 腔长与位移之间的变化关系

该光纤位移传感系统中使用了EDFA的自发辐射光作为宽带光源照射FP腔,这种光源光谱功率密度可以方便地根据需要调节。我们在实验中考察了EDFA不同自发辐射输出功率条件下,光纤位移传感器的最大测量范围,其结果如图7所示。图7中,EDFA的功率调节范围为0～62 mW。EDFA每设置一个功率,逐渐增大腔长,直到光谱干涉条纹消失,记为最大腔长。从图7可以看出,当输入功率逐渐增大时,位移传感器的最大腔长也随之增大,即位移传感器的最大测量范围也随之增大。系统中,位移的最大测量范围为11 mm。显然,如果有更高功率输出的EDFA自发辐射光源,该光纤位移传感器的量程可进一步增大。

图7 不同EDFA功率下的可测位移量

在该传感系统中,光纤环行器的使用,一方面可以保证EDFA发射光波传输的单向性,避免后续光路反射光以及杂散光对EDFA光源工作稳定性的干扰,另一方面,除了该器件引入的少量插入损耗外,相比于常规的2×2光纤耦合器、或者1×2光纤耦合器,可以显著提高对光源发射光功率的利用率。EDFA宽带光源以及光纤光谱仪的使用,可以保证一次在足够宽的光谱范围内得到光纤FP腔位移传感器的反射光谱,再由反射光谱分析得到绝对位腔长,从而得到绝对位移。不像激光干涉式光纤位移传感器,只能得到相对位移,并且在测量过程中,存在干涉条纹易于丢失,技术不准之类的问题。另外,由于使用了光谱分析的方式,光谱波峰波谷位置只与腔长有关,而与光强本身无关,这样一定程度上可以避免光强起伏对位移测量的影响。只要在光纤光谱分析仪上能够看到干涉光谱图样,即使光谱对比度很低,也可以通过多峰检测算法,得到绝对位移量,因此,使用该方法可以获得较大的位移量程。本文所使用EDFA自发辐射光源输出功率最高只能达到62 mW,如果能进一步增加其功率,则该光纤位移传感系统的位移传感长度可进一步增加,另一种可以显著增加这种位移传感系统测量范围的方法是,给光纤FP腔两个端面镀上宽带高反膜,该方法可使系统的位移测量范围至少扩展数倍。

4 结论

本文基于空芯光纤和单模光纤构成的非本征型光纤FP腔中的多光束干涉效应,以EDFA为照射宽带光源,使用光纤光谱分析仪获得多光束干涉光谱,并以多峰检测法计算出非本征型光纤FP腔的绝对腔长,获得待测目标的绝对位移量[16],实现了量程可达11 mm、分辨率为1 μm,动态范围达到40.4 dB的精密光纤位移传感系统。所使用的非本征型光纤 FP腔结构简单、易于制作。由于以EDFA自发辐射光作为宽带光源输入,可以相对廉价的方式,实现较高的功率输出,因此能够极大地拓宽FP腔的位移测量范围。由于相比于ASE或者SLD光源,具有更高的功率输出,使得这种光纤位移传感方案可以具有更大的测量范围,并且EDFA输出功率越高,获得的测量范围越大。