基于干涉結構的光纖振動傳感技術

唐小華

（廣東省廣州市 510260）

基于干涉結構的光纖振動傳感技術

唐小華

（廣東省廣州市 510260）

本文研討了分布式管道光纖振動安全報警系統(tǒng)，從長距離分布式探測運用、高精度檢測、多信道傳輸以及信號解調與處理等角度，對系統(tǒng)實現(xiàn)所需的軟硬件方法進行了深入研究。

干涉結構；光纖振動傳感器；光纖定位技術

1 引言

光纖振動傳感技術是以光波為傳感信號，以光纖為介質，通過感知和傳輸外界的被測量信號，無論是在傳感器感知原理上，還是在信號處理方式上，均與傳統(tǒng)的電學傳感器有著很大的差異。光纖具有不導電、也不帶電、體積小、質量輕、外形構造靈活、抗電磁干擾能力強、抗腐蝕性強等優(yōu)點，光纖傳感技術自誕生之日起就被廣泛地應用于經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的多個領域。

2 馬赫-曾德爾干涉結構光纖傳感技術

分布式光纖傳感技術實現(xiàn)了獲取被測物理參數(shù)的時間分布狀況的同時，還實現(xiàn)了對被測物理參數(shù)空間分布的探測。用于實現(xiàn)分布式光纖傳感技術的傳感器結構主要有兩類：反射結構和干涉結構，本文主要論述馬赫-曾德爾干涉結構的光纖傳感技術。

馬赫-曾德爾干涉儀結構是由兩根光纖組成，一根光纖做信號探測臂，另一根光纖做參考臂。激光源發(fā)射出的一束光，經(jīng)過光纖耦合器分兩束光，同時射入探測臂和參考臂光纖中。探測臂傳輸?shù)墓獠ㄏ辔皇艿酵饨缥锢韰?shù)變化的影響，與參考臂內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄔ趨R合點耦合器內(nèi)相遇時產(chǎn)生干涉。

眾所周知，光纖中的光波相位由光纖的物理長度、折射率及折射率分布、波導橫向幾何尺寸等參數(shù)決定。因此，光纖中傳播的光的相位表示為：

式中：k0是真空中的波數(shù)；n代表纖芯中的折射率；L則為光纖的長度。

引起光纖內(nèi)光波相位變化的最直接因素就是光纖的應變。當光纖受到軸向應力作用時，光纖的長度、直徑和折射率都將發(fā)生變化。因此，這些變化將導致光波相位也發(fā)生相應的變化。我們假設光纖的長度為L，則射出光波的相伴延遲為：

式中：r為光纖半徑。從上式可知，第一項表征了由光纖長度變化引起的相位變化，第二項表征了由折射率變化引起的相位變化，第三項表征了由光線橫向變化即半徑變化引起的相位變化。相對于石英材料的光纖長度為L的縱向應變而言，半徑r的橫向應變幾乎小得可以忽略不計，這種忽略對整體影響不大。經(jīng)推導，公式（3）可以重新表示為：

要成為相干光波的條件是：①頻率相同，在相遇點具有相同的振動方向和固定的相位差；②兩束光在相遇點的振幅相近；③兩束光的光程差不能太大。馬赫-曾德爾干儀采用同一個光源的光（其光強為I0），保證了頻率的一致性。所采用的耦合器分光比是1，這樣就保證了射入探測臂和參考臂的光的強度是一致的。因為減少了在相遇點的振幅差，所以光纖也采用盡可能相同長度的光纖。假設光源射入耦合器的光強為I0，則探測臂和參考臂的光強可以表示為：

其中a為耦合系數(shù)。根據(jù)馬赫-曾德爾干涉儀的基本原理和公式（5）可知，發(fā)生干涉的干涉光強為：

將公式（5）代入到公式（6），得到：

假設探測器的光電轉換系數(shù)為K，則將光強轉換為電流信號

因此，通過探測器測得的電流，即可計算出相位差。將公式（8）以貝賽爾方程的形式展開，從而測得到振動信號的頻譜信息。

這些內(nèi)容在理論上清晰地分析了馬赫-曾德爾干涉儀光纖傳感器對相位變化的檢測過程。相位差△φ由兩部分組成：①探測臂與參考臂初始相位差。這是由于兩根光纖不可能做到絕對的相同導致的。這是一個定值，通過測試可以得到。②外界參量引起的相位差。

3 馬赫-曾德爾干涉結構光纖傳感器的定位技術

馬赫-曾德爾干涉儀為直線型結構，激光從干涉儀的一端輸入，在另一端發(fā)生干涉后輸出。從原理上看，輸出信號不包括位置信息，因此典型的馬赫-曾德爾干涉儀只能感知引起相位變化

的振動信號，而無法分辨振動信號的具體位置。然而，如果在光路中引入一個光環(huán)路結構，那么可以基于正向傳輸光路和反向傳輸光路之間的時間延遲，來分辨出發(fā)生振動事件的空間位置。

如圖1所示，A為傳感光纖的起始位置，B為傳感光纖的終端位置，P為發(fā)生振動事件的具體位置。其中，從位置A到位置B的光纖長度為L，光波在光纖中的傳播速度為假設在位置A和位置P之間的光纖長度為X，則從位置P至位置B的光纖長度為L-X。假設傳感系統(tǒng)的光源采用激光實現(xiàn)。當傳感光纖的位置P點發(fā)生振動事件時，傳感光纖中順時針和逆時針方向傳播的兩束光波將同時受到相同的相位擾動。

圖1 直流光環(huán)路定位原理示意圖

設光波信號R的傳輸路徑為P→B→探測器B，則經(jīng)過的路程為

又設光信號L的傳輸路徑為P-A-探測器A，則經(jīng)過的路程為：很顯然，不同的傳輸路程，將導致兩束光波到達探測器的時間各不相同。于是，這就存在一個時間差：

若測量出△T，則根據(jù)公式（11）得：

由式（12），可以計算出振動時間發(fā)生的位置。

4 總結

光纖振動探測技術是途經(jīng)參考臂和探測臂的兩路相干光波，在末端耦合器中匯合，形成干涉光，干涉后的光強受光相位調制，通過光電轉換，把光強轉換成電信號，也就相當于檢測到的電信號受到光相伴調制。對于相位的變化，可以轉換成頻譜。通過頻譜分析，可以辨別出發(fā)生振動的事件類型。通過振動點前向光返回到發(fā)射端和背向光到達發(fā)射端的時間差，可以確定事件的位置。

[1]方祖捷，秦關根，瞿榮輝，蔡海文.光纖傳感器基礎[M].科學出版社，2014.

[2]張旭蘋.全分布式光纖傳感技術[M].科學出版社，2013.

TN253

A

1673-0038（2015）46-0121-02

2015-11-1

唐小華（1976-），男，助理工程師，在職研究生，研究方向為光纖。