【word】 基于白光干涉原理的全光纤多功能实验仪

【word】 基于白光干涉原理的全光纤多功能实验仪 基于白光干涉原理的全光纤多功能实验仪 第29卷第4期 2007年8月 光学仪器 0PTICALINSTRUMENTS Vol_29.No.4 August,2007 文章编号:1005—5630(2007)04—0052—05 基于白光干涉原理的全光纤多功能实验仪 昊东方,贾波 (复旦大学光纤研究中心,上海200433) 摘要:介绍了一种新型全光纤多功能实验仪.实验仪采用了白光干涉原理,通过一套主 机系统,组合功能模块,可实现八种不同的教学性实验,并可测量多种物理量.其中光路系 统由无源光器件组成,具有组装方便,抗电磁干扰等特性.可以实现满足不同课程,不同专 业阶段的实验 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 . 关键词:全光纤;光纤传感器;白光干涉;实验仪 中图分类号:TN929.11文献标识码:A All—fibermultifunctionalexperimentalinstrumentusingwhitelightinterferometry Dong一ng,JIABo (OpticFiberResearchCenter,FudanUniversity,Shanghai200433,China) Abstract:Anovalall—fibermultifunctiona1experimenta1instrumentiSintroducedwhichiSbasedon thewhitelightinterferenceprinciple.Foritsexperimentexpansibility,wecanrealizeeightdifferentkinds ofexperimentsthroughasetofmainframeandarrangingsomefunctionalmodules,whilemeasuring manyphysicalparameters.Theopticalpartismadeupofsimplepassiveopticalcomponentsthatthe wholesystemhasimmunitytoelectromagneticfieldandiseasilybuiltup.Itcanmeetexperiment requirementsofdifferentteachingcoursesandstudyphase. Keywords:all—fiber;fibersensor;white1ightinterference;experimentalinstrument 1引言 在科学技术飞速发展的信息时代,光电技术,信息技术和集成电路技 术在各个领域不断产生新的应 用.其中,光纤技术在通信和传感领域的广泛应用,已经体现出仅依 靠”电”进行信息提取和传输的方式所 无法比拟的优势[1].这些技术的迅速发展,对现有科研教学中的实验设计和仪器设备提出了新的挑战. 在传统的光纤技术教学领域中,广泛采用的光纤类实验仪主要侧重电路的实验,光纤仅仅作为信息传 输介质使用.无论从物理基础知识掌握还是创新性实验技能的开发,原有功能单一的传统光纤实验设备已 经不能满足”介绍新的技术,结合社会需求拓展学生能力”的实验需求. 近年来,光纤传感技术在光纤技术教学领域中陆续得到应用[z-4].复旦大学光纤研究中心利用全光纤 白光干涉技术,研制成功一套全光纤实验仪.该实验仪实现了新的光干涉技术——白光干涉技术.传统的 光干涉主要方式有Michlson干涉,Fabry—Perol干涉,Mach—Zehnder干涉等.20世纪90年代中后期提出 }收稿日期:2006—09—08 作者简介:吴东方(1978一),男,江西临川人,博士研究生,主要从事光纤传感与光纤通信方面的研究. 第4期吴东方等:基于白光干涉原理的全光纤多功能实验仪.53’ 的”全光纤白光干涉技术”[5],作为一种全新的干涉方法,与传统的干涉方法相比,具有极大的实用价值.但 目前国内现有教学实验都未涉及白光干涉实验. 利用全光纤多功能实验仪的核心模块,通过变换组件,可以建构多种教学实验,其实验系列共分为8 个实验,均属于光纤应用技术范畴,内容覆盖了目前先进的光纤通信,传感技术.其中涉及测量的物理量有 振动位移,速度,加速度,应变量,光纤长度等参数,一套综合实验系统的功能与20套分散的实验仪器实现 的功能相当.此外,系统配备专门利用美国NI公司的LabVIEW软件开发平台和数据采集卡开发的信号 处理软件,具有强大的数据采集,存储,分析能力 2实验仪的结构与功能 2.1概述 完整的实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 应包括多功能光纤干涉教学实验仪主机,单模光纤,光纤准直器,振动台,压电陶瓷, 信号发生器,信号处理软件平台等组成.主机中集成了光源,白光干涉光路模块,光电转换模块,数据采集 输出模块,如图1所示. 图1多功能全光纤教学实验仪主机系统 利用全光纤多功能实验仪的主机和相应辅件,能够完成八个实验的实验教学功能:(1)振动测试实验; (2)音频信号录入,传输,解调功能;(3)保密通信系统;(4)激光外调制及解调技术;(5)光在介质中传播速 度的测量或有效折射率的测量;(6)定点应变测量;(7)声纳测试实 验;(8)率,振动速度,加速度和位移,水中声波 传播特性,光纤弹光效应系数,光纤长度等. ?54?光学仪器第29卷 2.2非接触振动特性测试实验 传统的以自由空间作干涉光路的一般干涉测振仪,由于其体积大,空气易受环境温度,声波及振动的 影响,使干涉测量不稳定,准确度低,同时调整也较困难,对测试环境要求较高,且不利于转移,故限制了它 在—般场合下的实用性.近些年来光纤传感器的研究取得了令人瞩目的进展,用光纤代替自由空间作干涉 光路的光纤干涉仪有两个突出的优点:一是可使干涉仪小型化;--是可以方便设计干涉光路减小对环境的 响应,提高灵敏度.利用全光纤多功能实验仪开设的振动测试实验,是非接触光纤测量技术的典型实例,可 作为振动台的标定设备.全光纤振动测试实验原理见文献[6],通过光纤准直器和光纤微调架组成的光纤探 头(见图3),可对振动台表面(贴有反射镜)振动速度,位移,加速度进行测量. (aj(bj 图3振动测试实验光纤探头实物图 (a)激振台;(b)光纤准直器. 2.3音频信号录入,传输,解调实验 实验中系统的拾音部分为缠绕在圆柱体上一段数米长的光纤环,除了末端声音还原需要一个音箱以 外,整个系统没有电的参与,结构如图4所示.实验利用了光纤在声压作用下的光弹效应,即光纤折射率和 长度在声压作用下的变化,提出了采取无源方式实现语音信号声光调制新方法,清楚再现了光纤”光弹”效 应.拾音光纤实物见图5. 巨 图5拾音光纤实物图 图4音频实验装置结构示意图 傅二 珏 咬A.然 攒藩酶酶触?舔t赫蒜,e 赣’}醒鳓蛳帆 图6音频信号输出图 第4期吴东方等:基于白光干涉原理的全光纤多功能实验仪?55? 系统完成了采用”全光”方式实现语音信号的传输过程.实验结果如图6所示.图中Chl表示信号发 生器产生的原输入声音信号,Ch2表示经实验仪输出后的信号,实验 结果表明两信号完全吻合.验证了该 系统对语音信号录入,传输,解调的有效性. 实验介绍了一种新的语音信号的提取,传输方式,使学生认识到光纤技术除了在信号的传输方面的用 途外,还具有语音信号提取功能,开拓学生思路,即语音信号能被光信号直接提取而无须中间转换. 2.4光纤有效折射率的测量实验? 折射率和光纤长度的测量在工程当中非常有用,生产光纤时均要标定光纤的长度和有效折射率.投入 使用的通讯光缆经过若干时间以后如果某一段出现问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,需要精确找到坏点的位置,而位置的确定需要很 准确的知道光纤的有效折射率,否则0.001的偏差就可能会使得定出来的位置有几百米甚至上千米的误 差,给工程维护带来很大麻烦. 实验提供了一种有效测量光波在光纤中传播速度(即等效折射率)的新方法,通过频率扫描的方法测 量出光纤的等效折射率.根据扰动频率与光纤长度和等效折射率之间的关系,在一定范围的频率扫描过程 中,干涉信号的条纹将会在某一频率点消失,通过分析该点的频率即可确定光在光纤当中传播的有效折射 率,进而求得光在光纤中的传播速率.外频率信号调制的输出信号如图7所示. (aj(b) 图7外频率信号调制的输出信号图 (a)一般频率调制;(b)特定频率调制. 图7(a)中Chl曲线代表的是调制信号的波形图;Ch2曲线表示输出端经过调制信号调制后光的波形 图.图7(b)表示在一些特殊的频率点输出端出现消光现象,通过分析该点的频率即可确定光在光纤当中 传播的速度. 2.5应变定点监测实验 实验以全光纤多功能实验仪为基础,通过外加耦合器构造新的光路结构,利用信号处理设备在频域处 理输出信号,实现对探测光路上随机应力应变扰动源的监测及其位置确定[7]. 频率/Hz 图8扰动信号调制的输出频谱图 图8为输出信号的功率谱,通过软件处理,找出频率缺损点的位置(图中圆圈表示),可实现对探测光 路上随机应力应变扰动源的监测及其位置的推理与确定,实验表明40km内其定位误差为50m. ? 56?光学仪器第29卷 2.6声纳测试实验 实验提供的特定功能实验模块让学生结合所学知识,独立组装一套能够探测水声信号的全光纤实验 ‘ 系统(其示意图如图9所示),实现对水中声频,相对声强,声速,声源位置等物理量的测量.实验中采用一 定长度的光纤线圈作为传感探头,利用光纤的弹光效应来探测水中的声波信息,与采用传统的压电陶瓷方 法截然不同.通过特定环境下的水中声波频率,声强测定,验证了全光纤声纳的工作原理. 图9声波在水中的传播特性测量实验结构示意图图1o水下声音调制输出信号图 图10为水下声音调制输出信号图.图中Chl,Ch2为用全光纤多功能实验仪测得的两路声波在水中 的干涉信号;Ch3为用其它传统测量设备测得的干涉信号.通过比较,明显可以看出全光纤测试系统在测 量水声特性方面的优越性. 此外,该实验仪还可以实现对光纤长度的精确测量[,实现保密通信[,进行激光大相位和小相位的 外调制及解调的教学演示实验. 3结论 通过共享一套主机,结合不同的功能模块,能够按照课程设置和教学 安排组装不同的实验.同时,学生 可以根据所学知识,将主机作为技术研发平台,创造性设计新颖的实验.通过该方式,能够充分发挥学生的 主动性,改变了传统教学实验中学生按部就班,主观能动性调动不足的缺点.简单地组合功能模块,即可通 过一套系统来实现满足不同课程,不同专业阶段的实验要求,节约了宝贵的科研教学经费,同时实现了高 性能,多功能.目前该实验教学仪已经在复旦大学,合肥工业大学,桂林电子工业学院等院校得到初步应 用. 参考文献 孙圣和,王廷云,徐影.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000. 殷晓华,刘志海,赵文辉,等.光纤传感实验仪的应用口].应用科技,2000,27(1):12—13. 关春颖,刘艳磊,宋红彬,等.基于光纤传感实验仪的设计与扩展性实验[J].光电子技术与信息,2004,17(6):34—38. 徐元哲,贾雪梅,陈文选.光纤压力传感器物理实验仪的研制[J].大学物理实验,2004,17(4):52—55. LevlnL,TzachD,ShamlrJ.heropticvelocityinterferometerwithveryshortco herencelengthlightsourceEJ].RSdInstrum, 1996,67(4):1434—1437. 吴东方,贾波.一种用于振动测量的全光纤传感器EJ].激光杂志,2005,26(6):65—66. 孙?尧,贾波,张天照.基于反馈环全光纤干涉的定位系统[J].传感器与微系统,2006,25(1):44—46. 贾波,钱松荣,华中一,等.全光纤干涉系统用于光纤长度测量实验[J].中国激光,2002,29(1):73—75. 苏珂,贾波,孙尧,等.全光纤单芯语音传输系统及其保密性研究[J].光电子?激光,2005,16(12):1463--1466.