基于光纤3×3耦合器干涉仪及相位跟踪的振动测量系统

　　1　引　言

　　光纤干涉仪由于具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、能波分复用、高度集成、价格低廉等优点而被广泛应用于精密测量领域。对位移、振动、速度、加速度、应变以及温度等参量进行了测量[1—12]。

　　对于很多光纤干涉测量系统来说,光纤仅是用来传光的,干涉信号的相位变化应该只是由被测量的变化量引起。但是由于干涉臂中的光纤长度对环境干扰非常敏感,这些干扰会使干涉信号的相位产生随机变化,这种相位的随机变化会降低测量精度,甚至使测量系统无法正常工作。为了提高测量精度,需要对由环境干扰引起的相位随机变化量进行补偿。由于干涉信号呈正弦规律变化,无法仅凭干涉信号的变化来判断被测量(振动、位移)的方向。怎样判断被测振动或位移的变化方向也是需要解决的难题。

　　本文研究了基于光纤3×3耦合器(3×3 cou-pler)迈克尔逊干涉仪和反馈跟踪相位变化的振动测量系统。该系统具有自补偿功能,能有效地补偿环境干扰的影响,使测量系统具有很高的测量精度,而且能对振动的振幅和方向同时进行测量。该系统能对频率为1.5~200Hz的振动进行测量,测量分辨率可达到10nm。

　　2　测量系统的原理

　　2.1　测量原理分析

　　测量系统的原理如图1所示。利用一个光纤3×3耦合器构成光纤迈克尔逊干涉仪。该测量系统包含两个反馈控制环节,分别用于补偿由于环境干扰引起的相位随机变化以及跟踪由振动引起的相位变化。中心波长λ=1557.32nm的DFB激光器,由它发出的20dB谱宽为0.2nm的光经过光纤隔离器(Isolator)和光纤3×3耦合器后被分成三路,其中两路光被光纤准直镜(Grins)准直后,垂直入射到测量镜(Meas mirror)和参考镜(Ref mirror)上,然后再由这两个镜反射的两束反射光在光纤3×3耦合器上再次相遇并发生干涉。一路干涉信号由于光纤隔离器的作用不能到达光源,因而不会对光源产生影响;另两路干涉信号分别被探测器PD1和探测器PD2探测。

　　由探测器PD1探测到的干涉信号经过反馈控制环节1(Electronic feedback loop 1)处理后输入到电压驱动压电陶瓷管PZT1(管长35mm,外径35mm,壁厚2mm),在PZT1上缠有约11m长的参考臂光纤。反馈控制环节1的输出电压驱动PZT1来调节参考臂的光程,使干涉仪的两个臂的相位差始终保持在π/2,由此补偿环境干扰对干涉仪的影响。

　　由探测器PD2探测到的干涉信号经过反馈控制环节2(Electronic feedback loop 2)处理后输出的信号经过高压放大器(High Voltage Amplifier)放大10倍,驱动压电陶瓷PZT2调节参考臂的光程,使干涉仪的两个臂的相位差始终保持在π/2,跟踪由测量镜的振动引起的相位变化,实现对振动的测量。反馈控制环节2的输出电压与振动的幅值成正比,将反馈控制环节2的输出电压作为测量结果记录下来,在对振动幅值进行测量的同时,还提供了被测振动方向的信息。反馈控制环节2的输出经过A/D卡转换后由计算机记录。