光纖溫度和應變特性研究實驗儀的開發

鄭回歸 駱 琰 倪立成 杜 靚 彭保進

(浙江師范大學信息光學研究所 浙江 金華 321004)

1 引言

光纖傳感技術是伴隨著光導纖維及光通信技術的發展而逐步形成的.在光傳輸過程中，光纖易受外界環境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等環境的變化將引起光波量如光強度、相位、頻率、偏振態等的變化.光纖傳感器就是根據這些參量隨外界因素的變化關系來檢測各相應物理量的大小.光纖傳感器因抗電磁干擾、電絕緣性好，耐腐蝕、本質安全、靈敏度高等優點，已被廣泛關注[1～3].

調查發現，目前只有少數幾所高校開設了有關光纖傳感的實驗，而且在已經開設的實驗中，一般都要求學生在比較暗的環境下用測微目鏡瞇著眼睛直接數出條紋移動數目或從白屏上數出移動條紋數目[4,5],而且還需要其他學生配合，記錄溫度和應變等數據.現有的計算機參與的相關實驗中，也只是顯示條紋圖樣，而沒有對實驗數據進行處理的功能，實驗效果不夠理想.

本文搭建了干涉型光纖傳感實驗平臺,利用計算機與攝像頭的配合取代傳統的用肉眼觀察白屏得到條紋移動數目的方法，利用溫度傳感器與計算機的結合取代傳統的溫度計測量，可以在計算機上同時采集到溫度和移動條紋數目，實時描繪出溫度和條紋移動數目的關系圖，或者應力和條紋移動數目的關系.改進后的系統使得光纖特性研究的實驗變得方便、靈活、條理清晰，同時也讓實驗更具有現代科技氣息.

2 Mach-Zehnder干涉型光纖傳感原理

圖1所示為Mach-Zehnder相位調制型光纖干涉儀結構示意圖.由激光器發出的相干光經光隔離器和分路器以后一分為二分別送入兩根長度基本相同的單模光纖(即干涉儀的兩臂，其一為傳感臂，另一為參考臂)，此兩路光經合路器發生干涉.其中傳感臂光纖經過加熱器(以改變光纖溫度)或經過拉力器(以改變應變), 使傳感臂光纖的折射率和長度發生變化從而導致光程變化，引起干涉條紋的移動.

圖1 Mach-Zehnder光纖干涉儀示意圖

顯然，這是一種雙光束干涉儀，干涉光的幅度與信號光及參考光的幅度有關，其相位為兩臂光相位之差.干涉場光強分布為[6,7]

(1)

(2)

干涉光信號被CCD接收，由計算機軟件自動判別條紋移動數，從而得到相關的傳感關系.

3 實驗裝置

基本硬件由激光發生器、分束鏡、凸透鏡、光纖、測溫設備、控溫設備、螺旋微拉力器、CCD(或攝像頭)、計算機組成，如圖2所示.

圖2 實驗系統的基本硬件組成

圖示(1)部分的激光發生器發出的光由分束鏡分成兩束后，能為實驗提供穩定的相干光源，從分束鏡出來的兩束光分別再經過兩個凸透鏡的匯聚作用，進入系統兩臂的光纖.圖示(2)部分是傳感，實驗中就用該部分光纖來探測溫度、應力等物理量的變化.圖示(3)部分將兩光纖的出射端合并，產生干涉條紋.圖示(4)部分是CCD(或攝像頭)和計算機.圖示(5)部分用以測溫，由測溫探頭(熱敏電阻)和計算機采集卡等部分組成.圖示(6)部分用以控溫，由電阻絲和調壓器組成.調壓器的輸出端與電阻絲的兩端相連，光纖從電阻絲的腔內穿過，調壓器可由調節電阻絲兩端的電壓從而控制電阻絲腔內的溫度.圖示(7)部分是微拉力器，利用物理外力來拉伸光纖，從而研究其應變特性.圖3所示為搭建的實驗系統實物圖.

圖3 實驗系統的實物圖

4 軟件設計

軟件主要由6部分組成，包括實驗總界面、光纖溫度特性實驗界面、光纖應力特性實驗界面、了解實驗原理及操作步驟界面以及學生完成實驗報告界面和教師批改實驗報告界面[8].篇幅所限，這里僅給出干涉條紋的圖像處理.

4.1 條紋寬度的計算

本實驗中攝像頭接收得到的條紋圖像是640*480像素.條紋寬度是以像素為單位的，只要知道了屏幕上的條紋數目，根據640與條紋數目之比就能得到條紋寬度.判斷條紋數的關鍵是正確判斷亮條紋的最亮點，假如灰度分布是一個理想的正弦曲線波，可以用很多方法來得到干涉條紋的峰值，從而計算條紋的移動數.本實驗儀可以進行手動測量條紋寬度和自動測量條紋寬度.

設一條與條紋方向垂直的直線為x軸，如圖4所示.將像素映射在x軸上，把每一點的灰度值累加到它在x軸的射影點上，然后取平均值，得到一條以像素值為x軸、灰度值為y軸的近似正弦曲線.

自動測量條紋寬度的關鍵問題是計算屏幕上的條紋數目.對以像素值為x軸、灰度值為y軸、近似正弦的曲線上的各個點取導數，可能出現的4種情況如圖5所示.

圖4 像素的映射

圖5 取導數后的4種曲線類型

第一種情況如圖5(a)所示，相鄰的3個點中出現峰值，取中間點的坐標為峰值位置；

第二種情況如圖5(b)所示，相鄰的4個點中出現峰值，取中間兩點坐標的平均值為峰值位置；

第三種情況如圖5(c)所示，在飽和情況下，相鄰的多個點都是峰值，取飽和長度的中間點為峰值位置；

第四種情況如圖5(d)所示，不出現峰值.

4.2 條紋移動數目的判別

本實驗儀的重點是讀取條紋的移動數目.計算只在屏幕范圍內條紋的移動數目很簡單，只需要選定一根條紋進行跟蹤，記錄這根標記條紋經過的位移，那么這根條紋的位移與條紋寬度值之比就是條紋的移動數目.

判斷條紋移動數目的關鍵問題是如何測量超量程(標記條紋移出視野范圍)的移動條紋.本實驗使用的方法如圖6所示.

圖6 超量程測量法示意圖

圖6中，x0為初始基準線，L為左跳躍邊界，R為右跳躍邊界，x1為跳回時的初始位置，x′為跳回后的峰值跟蹤位置，x為所跟蹤的峰值的實際位置.

實驗開始時，設置一條初始基準線x0.當跟蹤的直線到達R或者L的時候就立即跳回至x1，如果x1不是峰值位置，馬上尋找到最近的峰值x′，再接著跟蹤.假定跳回一次，則

x-R=x′-x1

那么實際直線的位移為

x-x0=(x-R)+(R-x0)=

x′-x1+(R-x0)=

(x′-x0)+(R-x1)

設置一個參量xSum，初始值為零.直線每跳回一次，將R-x1累加到xSum中，那么最終的公式為

x-x0=(x′-x0)+xSum

即這根條紋的總位移.條紋的位移與條紋寬度之比就是條紋移動的數目.

5 實驗結果

實驗過程界面圖如圖7和圖8所示.兩圖的右上角分別為實時描繪出的干涉條紋移動數與溫度和應變的關系圖，左下角的文本框實時報告當前溫度(研究溫度特性時)及條紋的移動數.研究溫度特性時，可根據需要由軟件設定每隔多少度自動記錄一次(圖7所示為每隔2 ℃記錄一次)；研究應變特性時，一邊轉動螺旋微拉力器，一邊可直觀看到屏幕上報告的條紋移動數，根據需要點擊按鈕記錄數據.實驗過程中，為了便于區分，在條紋向左移動的時候，在條紋的移動數前加“-”號，在條紋向右移動的時候，在條紋的移動數前加“+” 號.通過標準溫度計及人工方法用白屏讀條紋數比對，本系統實驗相對誤差小于5%,可滿足學生實驗的需要.

圖7 光纖溫度特性實驗結果

圖8 光纖應力特性實驗結果

6 結束語

本實驗系統將光纖傳感與攝像頭、計算機等融為一體,注重與前沿科學技術之間的銜接，注重提升學生學習能力，加強科研及動手實踐環節的訓練，把學生從枯燥乏味的重復性觀測、讀數中解放出來，把精力放在實驗本身的理解與分析上，實驗效果好.有以下特點：

(1)用低成本的市售攝像頭代替傳統的人眼讀數或昂貴的線陣CCD；

(2)計算機自動記錄光干涉條紋的移動數；

(3)對于溫度傳感的實驗，利用溫度傳感器替代傳統溫度計，實時報告當前光纖溫度，讀數方便；

(4)計算機根據用戶設定，在屏幕上直觀地描出溫度與相位關系曲線圖和應變與相位關系曲線圖；

(5)學生可在系統上做實驗報告，教師可在系統上批改實驗報告；

(6)將計算機輔助教學思想融入其中，實驗中的每一步及相關原理都在軟件中有恰當的提示，方便學生對實驗的分析和理解.

1 Zhao Yong, Wang Dan, et al. A novel optical fiber temperature sensor based on Fabry-Perot cavity, Microwave and Optical Technology Letters, 2013, 55(10):2 487～2 490

2 張正文. 分布式光纖溫度傳感系統的設計及優化：[學位論文].淮南：安徽理工大學,2016

3 宮順順,李麗君,蔣露,等. 一種全光纖Mach-Zehnder干涉式溫度傳感器設計. 中國新通信,2017(02):26～28

4 尚玉峰,吳重慶,劉學,等.光纖Mach-Zehnder空間干涉系統的實驗研究. 大學物理,2004,23(4):35～38

5 陳偉成,嚴偉國.基于邁克爾遜干涉儀的光纖傳感實驗.儀器儀表用戶,2010,17(2):69～70

6 廖延彪.光纖光學.北京：清華大學出版社，2001.11～32

7 彭保進,廖茂,廖延彪,等.光纖水聽器靈敏度測試的研究.光子學報,2005,34(11):1 633～1 638

8 彭保進,李勇,金洪震. 讓計算機與普通物理實驗“結緣”. 實驗室研究與探索,2001,20(5):37～40

9 李濤,戴玉堂,趙前程. 一種新型微結構高靈敏度光纖溫度傳感器. 光電子·激光,2014(04):625～630

10 陳雪. 干涉型微結構光纖傳感器的傳感特性研究：[學位論文].深圳:深圳大學,2015