基于光纜通信傳輸技術的儀器設備長度遠程計量校準研究

摘要：在高精工工業領域中，仍存在著長度測量誤差過大的問題。針對該問題，提出了一種基于光纖通信傳輸技術的長度遠程計量校準裝置。結果顯示，研究設計的裝置在10 μm距離內測量中，最大誤差為0.178 μm，相對誤差最大為1.78%；在100 μm距離內測量中，最大誤差為0.631 μm，相對誤差最大為0.63%。研究設計的長度遠程計量校準裝置可以有效降低長度測量的誤差。

關鍵詞：光纜通信" "計量校準" "傳輸技術" "光學干涉

Research on Remote Measurement and Calibration of Instrument and Equipment Length Based on Optical Fiber Communication Transmission Technology

HUANG Yingbo

AVICAECC Harbin Dong’an Engine CO.， Ltd.， Harbin， ，Heilongjiang Province， 150066 China

Abstract： In the field of high-precision industry， there is still a problem of excessive length measurement error. A length remote measurement and calibration device based on fiber optic communication transmission technology has been proposed to address this issue. The results showed that the device designed for the study research had a maximum error of 0.178 μ m and a maximum relative error of 1.78% when measured within a distance of 10 μ m; In the measurement within a distance of 100 μ m， the maximum error is 0.631 μ m， and the maximum relative error is 0.63%. The length remote measurement calibration device designed for research can effectively reduce the error of length measurement.

Key Wwords： Optical cable fiber communication; Measurement calibration; Transmission technology; Optical interference

光纜通信技術是基于光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。其基本物質要素包括光纖、光源和光檢測器[1]。在發送端，電信號被調制到激光器發出的激光束上，通過光纖，利用光的全反射原理進行傳輸；在接收端，光信號被轉換回電信號，從而恢復原信息[2]。光纜通信技術已成為現代通信網絡的基石，其高速、大容量和抗干擾的特性使其在遠程數據傳輸領域扮演著至關重要的角色[3-4]。傳統的長度計量校準方法往往受限于物理距離和環境因素，難以實現長距離、實時的高精度校準。探索一種基于光纜通信傳輸技術的長度遠程計量校準方法，對提升測量設備的準確性和可靠性具有重要意義。因此，本研究基于光纖通信傳輸技術，設計了一個長度單位遠程測量的校準方法，以實現提高遠程長度測量的實時性與測量精度的目的。

本研究創新性地提出利用光纖通信傳輸技術迅速、穩定的特點，并基于光的干涉原理，設計開發了一種基于光纖通信傳輸技術的遠程長度測量方法。

1 基于光干涉原理的量塊長度測量校準方法

1.1 光纖通信中的光干涉

光干涉原理是光纖通信傳輸技術的基礎原理，利用光干涉原理，可以實現光纖通信傳輸的信號調制[5]。使用光纖進行光干涉時，需要利用干涉儀將相干光導入光纖[6-7]，光源經過分束器與反射鏡處理后，投入同一平面，即可形成雙光束干涉。在這個干涉條件中，光纖任意一點光強度的計算如下。

式（1）中：、表示光源單獨存在時相干光光源1和光源2對點的光強，單位為cd；表示光源至點的光程差，單位為mm；表示點的光強度，單位為cd；表示反射鏡移動距離，單位為mm。

光干涉條紋的強度與耦合效率和光源強度直接相關。在單模光纖中，光源可視為有且僅有一個，因此，、可視為0，點光強與光纖導出光強度的計算如下 [8]。

式（2）中：表示點光強度，單位為cd；表示光纖導出后光強度，單位為cd；表示耦合效率。

由式（2）可知，反射鏡位置的調整可以影響點光強度。

1.2 量塊絕對長度測量遠程校準

根據光纖通信傳輸的光干涉信號調制原理，研究設計了一個量塊絕對長度測量遠程校準技術。該技術利用光纖，將可移動反射鏡由量塊一側移動至另一側時產生的光程差輸入干涉儀中，實現量塊長度的測量。研究設計的方法是以激光干涉儀測量的標準值對量塊進行精確檢定，實現量塊長度的絕對測量。基于該方法，研究設計的儀器設備長度遠程計量校準裝置如圖1所示。

從圖1中可以看到，研究設計的量塊長度測量裝置包括反射鏡、分束器、準直器、耦合器、干涉儀、光纖和寬帶光源。在該測量裝置中，經過干涉儀耦合后進入光纖的光強度如下。

式（3）中：表示相干光1在點的光強，單位為cd；表示相干光2在點的光強，單位為cd。

光束經過量塊后，通過反射鏡產生的光強如下。

式（4）中：、表示光束在量塊兩端至反射鏡的光程差，單位為mm。

在光程差相同時，取到最大值，記錄此時實驗室內反射鏡的位置為a。光束經過測量平臺后，通過反射鏡產生的光強如下。

光程差相同時，取到最大值，記錄此時實驗室反射鏡的位置為b，量塊長度即為a-b。

1.3 量塊相對長度測量遠程校準

然而，某些設備儀器無法直接進行測量，需要參考標準件進行長度計量校準。因此，研究還設計了一個相對長度測量遠程校準方法。相對長度的測量需要標準量塊的參與，此方法利用激光干涉儀測量反射鏡移動位置，對量塊進行絕對測量，確保量塊測量精度，提供可靠的長度校準。基于該方法，研究設計的量塊相對長度的測量裝置如圖2所示。

從圖2中可以看到，相對長度測量裝置的基本結構與絕對長度測量裝置結構相似。相對距離長度量結構設計涉及的是一種遠程校準方法，其中，高精度量塊和反射鏡的位移距離較短。該設計利用寬帶光源發出的光束，通過分束器分為兩束，一束照射在固定反射鏡上，另一束照射在標準量塊表面。這兩束光經過光纖傳輸到待校準量塊端，其中，光電探測器用于探測光強值。在校準實驗室中，通過調整反射鏡的位置，使干涉條紋光強達到最大，從而記錄反射鏡的位置變化，進而計算出待檢量塊和標準量塊之間的差值。

2長度測量的遠程校準效果分析

為了驗證研究設計的長度測量遠程校準裝置的效果，研究搭建了一個儀器設備長度計量校準裝置，將移動反射鏡位置設置為10 μm和100 μm，將采樣頻率設置為25 kHz，對研究設計的儀器設備長度計量校準裝置進行了測量誤差分析。研究設計裝置的實驗驗證結果如圖3所示。

圖3（a）為10 μm與100μm距離內的絕對誤差分析。可以看到，10 μm距離下，最小絕對誤差為0.012 μm，最大絕對誤差為0.178 μm；100μm距離下，絕對誤差波動范圍較大，最小誤差僅0.027 μm，最大誤差達到了0.631 μm。

圖3（b）為10 μm與100μm距離內的相對誤差分析。可以看到，10 μm測量尺度下，最小相對誤差為0.12%，最大相對誤差為1.78%；100μm測量距離內，最小相對誤差為0.03%，最大相對誤差為0.63%。

實驗結果表明，研究設計的儀器設備長度計量遠程校準裝置可以實現微米級的長度計量誤差校準。

3 結論

研究設計并驗證了一種基于光纜通信傳輸技術的儀器設備長度遠程計量校準裝置。結果表明，該裝置能夠有效降低長度測量的誤差，在10 μm距離內，最大絕對誤差為0.178 μm，最大相對誤差1.78%；在100 μm距離內，最大絕對誤差為0.631 μm，最大相對誤差0.63%。該裝置實現了微米級長度計量誤差的遠程校準。然而，裝置的絕對誤差會隨測量尺度的增加而增大。未來工作將重點優化光纖信號傳輸裝置，以進一步減少光程測量的絕對誤差。

參考文獻

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