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摘要：采用当前方法对光纤激光传感器进行研究时，无法实现高精度、稳定性好的研究。本文利用基于解调技术的光纤激光传感器，本文方法能够减少传感信号的失真，提高拍频信号稳定性，具有实际意义。
关键词：光纤激光；传感器；调解技术
1基于解调技术的光纤激光传感器
激光传感器的传感解调内，拍频解调技术可以以一种简单且成本低的方式对光纤激光传感器进行研究。
1.1光纤光栅的写入
为了更好的对光纤激光传感器进行研究，本文根据相位掩膜法完成写入光纤光栅。光栅刻写原理如下所示。
图1 相位模板制作光栅原理图
以相位掩模板来实现光纤光栅的制作，其中紫外光通过模板，生成+1 与-1 级射光，并利用反射光产生近场的干涉条纹，于光纤上演变成周期性折射率，把折射率调制为光栅，光栅的周期Λ，是相位模板周期Λpm 的一半。下图为光纤光栅的制作平台。
图2 中，氩离子倍频激光器所输出波长是244nm的紫外光，采用光快门以及反射镜和柱面透镜，于水平方向上的聚束，将其垂直射入至长140nm、周期1071nm 的相位模板，该模板是均匀的。其中将反射镜、柱面的透镜放到平移台上，通过计算机控制平移台，其位移进度为0.1μm。已知利用EPS 技术可以获得π 相移，且它的反射谱内会有一个透射窗口出现。假设将带有π 相移的光纤光栅，刻进掺饵光纤内会生成激光激射。如果刻入有两个π 相移光纤光栅，则能够实现双波长输出，由此制作出双波长的光纤激光器。通过图1，图2 完成对光纤光栅的制作，从而提高传感器滤波质量。
图2 光纤光栅制作平台
1.2 双波长的激光传感
对双波长的激光传感器进行分析。下图为双波长的激光传感器框架。
图3 双波长的激光传感器框架
图中的传感头利用的是双波长的激光器。图中的980nm 泵浦激光历经波分复用器，往激光器注入泵浦能量，完成双波长激光器的激射。系统内加入隔离器，进而避免因激光的反射，引起自身运行不稳定，并利用光放大器对信号进行放大，可提高信噪比。光信号放大后，利用3dB 分束器将其划分成两路：一路用来检测光谱仪的波长，另一路则在光电探测器中，生成微波的拍频信号，经过射频频谱仪获取拍频信号的变化状况。
2 基于解调技术的光纤激光传感器
基于解调技术的光纤激光传感器结构，受980nm 抽运激光的影响，光纤激光器会形成稳定的窄线宽单频激光。通过波分复用器（WDM）对其进行处理，删除抽运光。为了降低反射光造成的干扰，激光从波分复用器输出后接入光隔离器。再通过1×2 耦合器把激光划分成两束，选择其中的一束接入光谱仪进行测试，另一束添加至非平衡干涉仪。在设计基于解调技术的光纤激光传感器的过程中，非平衡干涉仪选择迈克尔逊结构，在光纤激光传感器两臂的末端通过法拉第旋转反射镜（FＲM）对因输入光偏振态导致的信号衰减进行滤除，以增强光纤激光传感器的稳定性。为了得到解调所需的相位载波，把干涉仪其中一端的光纤置于压电陶瓷管（PZT）中，形成超过待测信号频率的正弦调制信号，使得压电陶瓷管出现震荡，驱动光纤变化，以形成高频调制。对压电陶瓷的驱动电压进行调整，从而调整相位调制幅度。将通过调制处理的光干涉信号发射至光电探测器（PD）转换成电信号，通过A/D 采集卡把电信号转换成数字信号，通过PC 机完成对数字信号的归一化处理，实现相位载波解调，获取外界待测信号。所设计的加速度计选用双膜片结构，也就是质量块利用两个圆形膜片放置于支撑环中央位置，将光纤其中一端与加速度计外壳相连，将光纤另一端和质量块相连。加速度计运行过程中，把其置于车体中。
3 解调技术
选用3×3 耦合器解调技术，针对完全对称的3×3 耦合器，其三路输出光信号被光电探测器处理后，将产生120°相位差，如果分光比、相差发生变化，将无法实现理想对称，通过最小二乘法完成对由Dn、En组成的结构进行椭圆参数估计，然后通过椭圆参数对其进行反解。开环解调方法均利用干涉仪形成sinφ、cosφ 两路正交分量对目标信号进行调整，通过对称型与正交型耦合器的输出获取。耦合器解调主要有两类：微分较差相乘法与反正切法。通过耦合器的2 路与3 路输出信号解调原理基本一致，均可准确解调。尽管通过3 路输出信号进行解调，计算复杂度较高，然而其自动增益控制电路可滤除外界环境产生的干扰。
图4 频率随应力的改变情况
4 实验结果与分析
为了基于解调技术的光纤激光传感器能够更加有效地在实际工程中被应用，需对光纤激光传感器的稳定性进行初步验证。在进行实验的过程中，利用不同的方式对频率随应力的改变状态进行测量，测量结果如图4 所示，图4 中，曲线a 为应力从0με 逐渐升高至850με 情况下，频率的改
变状态；曲线b 为应力从850με 降低至0με 的情况下，频率的改变情况。分析图4 可以看出，曲线c 与曲线d 几乎重合，获取的频率－应变响应基本相同。不仅如此，实验还多次改变应变大小，最终获取的曲线也与曲线a 相近。从某种程度上来说，说明本文研究的基于解调技术的光纤传感器是可靠的。
结束语
光纤激光传感器具有窄线宽以及抗干扰能力强的优势，频率分辨率很高。被测物理量导致波长、强度等参数出现改变，所以将光纤激光器看作高分辨率、高灵敏度传感器。当前，通常通过干涉调解法对光纤激光传感器器进行解调，将光波波长的改变转换成干涉信号光强信号相位的改变，和压电传感器不同，上述非线性解调方式需通过合理的解调方式对待测信号进行恢复。所以，研究一种有效的光纤激光传感器设计了基于解调技术的光纤激光传感器，介绍了解调结束和光纤激光传感原理，在此基础上，设计了基于解调技术的光纤传感器。经实验验证，研究的基于解调技术的光纤激光传感器有很高的稳定性。
参考文献：
[1]李本萍，郭玺，吕辰刚.基于光纤激光传感器的双频超声测量[J].信息技术，2016（10）：21-24.
[2]刘影，高爽，鲍志强，张帅，吕辰刚.基于DBR光纤激光传感器的超声与温度双参量测量研究[J].传感技术学报，2016，29（08）：1155-1159.
[3]周峰.正交双频光纤激光传感器的空间灵敏度研究[D].暨南大学，2016.
[4]郭松林，任晓霞，水泉龙.基于腐蚀型多模光纤的光纤激光传感器[J].工业仪表与自动化装置，2016（03）：3-6.
[5]朱建明.正交双频光纤激光传感器温度补偿研究[D].暨南大学，2016.
论文作者:林庆典
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
标签：光纤论文; 传感器论文; 激光论文; 波长论文; 光栅论文; 信号论文; 相位论文; 《基层建设》2018年第23期论文;