光纖F-P傳感器正交工作點(diǎn)穩(wěn)定技術(shù)研究

張玉雪

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

光纖F-P傳感器正交工作點(diǎn)穩(wěn)定技術(shù)研究

張玉雪

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)光纖法布里-珀羅傳感器受到溫度、壓力等作用會(huì)使正交工作點(diǎn)發(fā)生漂移的問題，提出一種負(fù)反饋的方法使正交工作點(diǎn)輸出穩(wěn)定。通過掃描波長找到正交工作點(diǎn)，使用找到的電流重新設(shè)置激光器，將外界變化引起的正交工作點(diǎn)變化引入到溫度負(fù)反饋控制系統(tǒng)中，使溫度控制激光器的輸出波長，設(shè)計(jì)了基于負(fù)反饋的穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)。通過溫度變化3℃，設(shè)計(jì)的穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)能夠使正交工作點(diǎn)穩(wěn)定地輸出，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

法布里-珀羅傳感器；正交工作點(diǎn)；漂移；負(fù)反饋

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步，光纖傳感器能夠應(yīng)用的場所越來越多[1-2]，已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展不可分割的一部分，在獲取信息方面占據(jù)著不可撼動(dòng)的地位[3-4]。光纖傳感器具有分辨率高、抗電磁干擾強(qiáng)、靈敏度高、耐高溫、體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)范圍大、穩(wěn)定性強(qiáng)以及構(gòu)造簡單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的環(huán)境[5-8]。光纖傳感器自身的優(yōu)勢不可替代[9-10]，而且在未來的發(fā)展中會(huì)占據(jù)著越來越重要的角色[11-13]。

光纖法布里-珀羅傳感器是諸多傳感器中的一種。現(xiàn)在對(duì)于它的研究已經(jīng)有廣泛的成果[14-16]。光纖法布里-珀羅傳感器容易受環(huán)境溫度的影響，使腔長發(fā)生變化，從而正交工作點(diǎn)發(fā)生漂移[17-18]，針對(duì)這個(gè)問題，提出了一種解決方案使正交工作點(diǎn)穩(wěn)定的輸出。

1 光纖F-P傳感器的原理

光纖F-P傳感器是通過干涉的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量測量的一種高靈敏度傳感器，當(dāng)一束光進(jìn)入光纖傳感器時(shí)，會(huì)在腔內(nèi)發(fā)生干涉并且返回，輸出的光強(qiáng)與腔長有關(guān)系。當(dāng)傳感器受到外界的影響，腔長會(huì)發(fā)生微變，而且會(huì)影響輸出的信號(hào)。根據(jù)多光束干涉理論，激光器發(fā)射的光進(jìn)入F-P腔，如圖1所示[19]。

圖1 光纖干涉反射光和透射光示意圖

當(dāng)一束固定波長的光入射到F-P傳感器時(shí)，入射角θ(光纖出射方向相對(duì)于光纖軸水平方向的夾角)可認(rèn)為是接近0，入射的光強(qiáng)是I0=1，腔內(nèi)的折射率為n,腔長度為L，光束在腔內(nèi)經(jīng)過多次的反射會(huì)發(fā)生光束干涉的現(xiàn)象，任意相鄰光的光程差表示為：

δ=2nLcosθ。

(1)

相鄰光束的相位差為：

(2)

反射光強(qiáng)為：

(3)

圖2是腔長發(fā)生變化時(shí)對(duì)應(yīng)的多光束干涉曲線圖。從圖中可知，一個(gè)干涉周期的長度是半個(gè)波長，當(dāng)腔長變長時(shí)，正交工作點(diǎn)發(fā)生了偏移，如圖中750 nm處橫線與縱線相交所示，波長需要變長才會(huì)穩(wěn)定正交工作點(diǎn)。當(dāng)外界溫度的變化作用到光纖法布里-珀羅傳感器，由于熱脹冷縮作用會(huì)使腔長發(fā)生微變，此時(shí)正交工作點(diǎn)漂移，如果腔長變長，就需要激光器發(fā)射的波長變長來穩(wěn)定正交工作點(diǎn)。

圖2 多光束干涉

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖3是光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)圖。整個(gè)系統(tǒng)主要是由光源、光纖環(huán)形器、光纖F-P傳感器、光電探測器、反饋系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)顯示系統(tǒng)組成。首先需要去除反饋部分，找到正交工作點(diǎn)。其次，使用正交工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流設(shè)為激光器的驅(qū)動(dòng)電流，通過圖3的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，達(dá)到穩(wěn)定正交工作點(diǎn)的目的。

圖3 穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)圖

光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點(diǎn)的光路設(shè)計(jì)如圖4所示。光信號(hào)經(jīng)過光纖隔離器進(jìn)入光纖環(huán)形器，然后就可以進(jìn)入光纖法布里-珀羅傳感器，反射之后的光信號(hào)通過接收光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器，經(jīng)過光電探測器的轉(zhuǎn)換成為可以處理的電信號(hào)。

圖4 光路設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖

3 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)前面介紹的理論知識(shí)和整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了電路系統(tǒng)。光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)主要分為2部分：第一部分是電流掃描波長尋找正交工作點(diǎn)，如圖5所示；第二部分是穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)，如圖6所示。第一部分：將激光器的驅(qū)動(dòng)電流從最小值掃到最大值，發(fā)射的光進(jìn)入光纖F-P傳感器，光電探測器探測到的信號(hào)經(jīng)過射隨和低通濾波器提取出直流信號(hào)，輸出結(jié)果出現(xiàn)最小值和最大值，找到2個(gè)極值之后就可以得到正交工作點(diǎn)的電壓值以及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流。第二部分：調(diào)節(jié)溫度臺(tái)的溫度使腔長微變，為了穩(wěn)定正交工作點(diǎn)，相應(yīng)的波長也要變化。將找到的電流作為激光器的驅(qū)動(dòng)電流，調(diào)節(jié)溫度臺(tái)的溫度使腔長發(fā)生微變，光電探測器探測到的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器等取得的直流信號(hào)與正交工作點(diǎn)的電壓和熱敏電阻的電壓組成負(fù)反饋系統(tǒng)，觀察直流信號(hào)的輸出是否穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)。

圖5 電流掃描波長尋找正交工作點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖6 光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在電路設(shè)計(jì)完成基礎(chǔ)上，搭建了光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此平臺(tái)包括光纖F-P傳感器、溫度臺(tái)、光纖隔離器、光纖環(huán)形器、光源驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路以及上位機(jī)。

由于實(shí)驗(yàn)中使用的激光器從開始工作到相對(duì)穩(wěn)定的輸出會(huì)有20～40 min的時(shí)間，因此為了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，每次實(shí)驗(yàn)的開始都需要將激光器開機(jī)預(yù)熱至少30 min，再進(jìn)行其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中使用1 nm自由光譜程的F-P傳感器，激光器的驅(qū)動(dòng)電流在20～80 mA之間，設(shè)置溫度臺(tái)的溫度在50℃，調(diào)節(jié)電流從最小值到最大值，得到反射光強(qiáng)經(jīng)過光電探測器探測到的電壓與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系，如圖7所示。

通過掃描，得到的最大值為1.4 V，最小值為0.5 V，經(jīng)過計(jì)算得知正交工作點(diǎn)的電壓為0.95 V，相應(yīng)的激光器的驅(qū)動(dòng)電流為57 mA。將找到的電流作為第二部分的驅(qū)動(dòng)電流，調(diào)節(jié)溫度臺(tái)的溫度大約變化3℃，觀察實(shí)驗(yàn)效果。如果沒有第二部分的負(fù)反饋的作用，再觀察實(shí)驗(yàn)效果。

圖7 1 nm自由光譜程50℃時(shí)初始化曲線

如圖8所示，如果沒有負(fù)反饋系統(tǒng)的作用，輸出信號(hào)呈現(xiàn)周期性變化；有負(fù)反饋系統(tǒng)的作用時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸出在0.95 V上下，說明光纖F-P傳感器的腔長受到溫度的影響發(fā)生微變時(shí)，設(shè)計(jì)的穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)處。

圖8 工作點(diǎn)自校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5 結(jié)束語

基于多光束干涉原理，采用負(fù)反饋的方法，在仿真中出現(xiàn)正交工作點(diǎn)發(fā)生漂移的情況，提出穩(wěn)定正交工作點(diǎn)的方法，設(shè)計(jì)了光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)。通過光路整體設(shè)計(jì)以及電路設(shè)計(jì)方案，對(duì)所設(shè)計(jì)的穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行測量，該系統(tǒng)能夠使正交工作點(diǎn)穩(wěn)定地輸出。同時(shí)對(duì)沒有反饋系統(tǒng)也進(jìn)行了測量，輸出的工作點(diǎn)呈現(xiàn)周期性的變化。通過測量分析，說明所設(shè)計(jì)的穩(wěn)定正交工作點(diǎn)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。本實(shí)驗(yàn)方法相較其他方法：光源范圍小、追蹤速度快、靈敏度高、成本低，提高了效率。

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Research on Stability of the Quadrature Point of Fiber Fabry-Perot Sensor

ZHANG Yu-xue

(College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin Heilongjiang 150001，China)

Aiming at the problem that the fiber Fabry-Perot sensor is affected by temperature and pressure and the quadrature point (Q) is drifted，a negative feedback method is proposed to stabilize the output of the Q point.The Q point is found by scanning wavelength，the laser is reset by using the found current，and the change of the Q point caused by the external variation is introduced into the temperature negative feedback control system，making the output wavelength of laser controlled by temperature，thus a stable Q point system based on negative feedback is designed.The stable Q point system can stabilize the output of the Q point through the temperature variation of 3 degrees，thus verifying the correctness of the designed system.

Fabry-Perot sensor；quadrature point；drift；negative feedback

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.13

張玉雪.光纖F-P傳感器正交工作點(diǎn)穩(wěn)定技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù)，2017，43(3):53-55,90.

[ZHANGYuxue.ResearchontheStabilityoftheQuadraturePointofFiberFabry-PerotSensor[J].RadioCommunicationsTechnology，2017，43(3)：53-55,90.]

2017-02-22

張玉雪(1988— ),女，碩士研究生，主要研究方向：光電檢測、光學(xué)信號(hào)信息處理。

TN29

A

1003-3114(2017)03-53-3