冯志庆;赵建
【摘 要】研制了一种基于正交偏振形式的双频分布式布拉格反射(Distributed Bragg Reflection,DBR)光纤激光器光纤压力传感器系统.当外部压力作用在光纤激光器谐振腔上时,光纤晶体双折射的变化会引起正交偏振方向上的激光频率发生变化,从而导致输出拍频频率改变.利用快速光电二极管将双频激光输出的拍频信号转换成射频电信号,通过一个射频混频电路将该信号与频率合成器产生的本地振荡信号混频并低通滤波放大整形,变为400 M以下的调频信号,再利用ECL定时计数电路系统记录拍频信息并通过USB接口送入计算机.实验表明,在0～l.5N范围内线性拟合度高达99.97％,压力灵敏度为400 MHz·N-1.准入控制系统
【期刊名称】《大连民族学院学报》
【年(卷),期】2014(016)001
再生素
【总页数】3页(P56-58)
【关键词】光纤光栅激光器;光纤传感器;解调器
【作 者】冯志庆;赵建
【作者单位】大连民族学院物理与材料工程学院,辽宁大连116605;大连民族学院物理与材料工程学院,辽宁大连116605
【正文语种】中 文
【中图分类】TN253
光纤激光器传感是光纤传感中新发展起来的传感技术，因其具有传感结构紧凑、自带参考、便于复用、信噪比高、解调成本低等优势，成为继无源光纤光栅传感之后新的研究热点［1－4］。
光纤激光传感器按工作原理可以分为波长解码传感器和偏振极化传感器。前一种是把被测物理量转变成光纤激光器的工作波长变化，工作原理和光纤光栅传感器相似。正交偏振传感型则需要光纤激光器工作在两个正交的偏振模式(正交偏振双频DBR光纤激光器)中，把被测物理量转变成激光输出拍频频率的变化，通过解调拍频信息获取被测物理量信息。由于该拍频频率一般位于几个G以下的射频波段，通过电子学手段就可完成数据的解调，因
此解调系统简单，成本也很低，不需要干涉参考光路、波长计等复杂的解调单元。
DBR光纤激光传感器已经应用于包括温度、压力、压强、超声等众多物理量的测量。在压力测量方面的工作主要集中在侧向压力传感的研究上，如Kringlebotn等人研究了基于分布式反馈(DFB)光纤激光器在侧压传感方面的应用。与DFB光纤激光器相比，DBR光纤激光传感器具有以下的优点:(1)激光器尺寸可以做的更小。目前短腔长DBR光纤激光器有效长度可以做成2 cm左右，而DFB一般工作区长度需要5 cm左右。(2)激光输出能量更高。一般DFB激光器输出功率为几个mW，而DBR激光器达到200 mW以上的功率输出已有报道，因而更适合远距离传感。(3)易于控制，更适合恶劣环境的传感。
本文自行研制的短腔长DBR光纤激光器，对侧向压力具有很高的灵敏度，可以应用于位移、加速度、振动、压强等物理量的传感测量［7－10］。
1 压力传感系统组成
正交偏振双频DBR光纤激光器在外界侧向压力驱动下，产生双折射，引起两个偏振方向上的激光频率发生不同的变化，通过偏振器和快速光电二极管产生射频波段拍频电信号。在所测量区间内，激光腔所受压力与拍频频移量为线性，可以表示为［5］
式中，l为激光腔受力部分的长度，Leff为激光器腔长，c为光速，n为光纤平均折射率，p11，p12为光纤材料的弹光系数，νp为光纤的泊松比，θ为力的方向和光纤偏振轴的夹角，E为光纤杨氏模量，r为光纤半径。
为了保证外部压力均匀施加到光纤激光器谐振腔上，传感探头采用3根光纤等间隔平行放置，中间为传感光纤，两侧光纤与激光器光纤相同。与单光纤相比，灵敏度下降为单芯的1/3，但稳定性得到提高。传感系统结构如图1。
图1 压力传感测量装置框图
该传感器利用193 nm ArF准分子紫外激光器，在Er/Yb共掺杂光纤上写制一对匹配光纤光栅，从而形成激光器。
信号解调系统采用混频降频处理方法，压力产生的拍频频率最大偏移量一般在400 M左右，光电二极管输出信号一般处于1.5 GHz以下，通过混频器将本地RF频率合成器输出的RF信号和激光器拍频信号混频，将拍频信号变频到500 M以下，利用定时计数手段获取调频信息。由于降频后的信号仍具有较高频率，故电路计数器部分采用ECL电路实现550 M
高频计数。定时部分利用一个10 M振荡频率的高精度温度补偿晶振分频实现，该晶振同时用作RF合成器的频率基准。定时间隔通过CPU程控可调。解调系统框图如图2。
图2 解调系统电路原理图
降频后的信号经过IF滤波器和放大器后信号幅值处于100～200 mV，经过一高速ECL比较器变为ECL电平方波脉冲，进入由3片6Bit ECL高速计数芯片组成的计数器，通过ECL－TTL转换芯片组成18 Bit TTL电平数据送入CPU(高速8051)，通过不同定时间隔的设置，可以实现不同时间分辨率和幅度分辨率的测量。在理论上，时间分辨率越高，幅度分辨率越低，若压力变化为缓时变过程，可以降低采样速率，增加幅度分辨率。单片机数据总线为16Bit，故计数数据高2位未使用，实际的计数器为16Bit，在500 M频偏条件下，为防止计数器饱和，采样率要求超过800 Hz。
2 实验
激光器由6.5 mm的低反光栅、7 mm的高反光栅以及10 mm的激光腔构成，静态无负载时产生的拍频大小为965 MHz。
整个装置置于防震光学平台上。在施压表面上放置不同质量的砝码，通过频率计数解调系统获取频偏数据，砝码由0 g加到50 g，获得的拍频频率偏移从22 M到460 M。
测试结果表明，压力载荷和频移关系为线性，与理论吻合。在0～1.5 N测量范围内，该传感器的灵敏度为 400 MHz·N－1，线性度达到了99.9%。不考虑光纤激光器频率噪声，解调电路计数精度是影响系统最小分辨率的主要因素，在1 k采样率时，计数不确定度为2 kHz，对应的最小分辨率为5 uN。测试结果如图3。
图3 频移和负载关系
受制于振动平台性能，对传感器振动传感能力仅进行了验证试验。将传感器放置于振动平台上，观测采集到的振动波形。在400 Hz振动频率下解调给出的波形如图4。
图4 400Hz正弦振动信号解调波形
光纤探头
3 结论
水貂肉本文设计了DBR光纤激光器压力传感器以及电子学解调单元，在0～1.5N的压力范围内，
线性度达到99.9%，灵敏度为400 MHz·N－1，电子学解调最小分辨率在1 k采样速率下为5 uN。整个测试系统结构简单，解调单元均为电子学器件，成本低，性能稳定，达到了实用化条件。这种电子学解调单元可以在单CPU控制下多道并行等周期计数，实现传感器阵列解调，对DBR光纤激光器传感复用提供解调支持。
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led驱动电路
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