全光纤马赫-曾德尔干涉仪的测温实验

张亚星,赵 鹏,张 洁,苗明川

(北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191)

全光纤马赫-曾德尔干涉仪的测温实验

张亚星,赵 鹏,张 洁,苗明川

(北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191)

阐述了全光纤马赫-曾德尔干涉仪的测温原理,并在20～40℃对测温系统进行了标定.利用Matlab数字图像处理技术对温度干涉条纹图像进行处理,设计了计算条纹移动数目的程序.通过测温实验对条纹记数程序进行了检验,有较好的准确度.

马赫-曾德尔干涉仪;温度测量;Matlab;数字图像处理

1 引 言

随着光纤技术的广泛应用,光纤传感技术得到迅速发展.相比传统的机电传感,光纤传感具有抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、体积小、在易燃易爆的环境下安全可靠等优点,在微位移及振动测量、电信号测量、声传感等领域有着广泛的研究[1-4].光纤温度传感是光纤传感技术的重要应用,其中基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度测量具有精度高、制作成本低和易于调整等特点,具有广泛的应用价值.对马赫-曾德尔干涉场的测量有2种方法:一是使用光功率计探测空间光场的变化[5],该方法需要较繁杂的后续信号处理系统,成本较高;二是利用数字图像处理技术[6]或者人眼观测[7]直接对干涉条纹的移动进行分析,该方法大大降低了系统成本,且能够更加直观地观测到温度变化对干涉条纹的影响.本文基于后者,运用CCD摄像采集干涉条纹图像,通过Matlab数字图像处理技术对图像进行处理,分析条纹移动的数目和方向,编写条纹移动计数的程序,实现对温度的测量.

2 温度测量系统

2.1 测温原理

将650 nm,2 mW的氦氖激光经分束镜分成2束,分别通过光纤耦合器进入2路单模石英光纤中.一路光纤经过半导体温控仪,另一路光纤保持恒温,如图1所示.

图1 测温系统示意图

在光纤的末端,2束相干激光汇聚,叠加产生干涉.干涉条纹由CCD采集,并送往计算机进行处理(采集速率为每秒25幅图像),形成BMP格式的图像文件.温度变化时,干涉条纹将随之发生移动,通过数字图像处理技术可得到干涉条纹移动的数目及移动方向,从而计算出温度升高或降低的值.干涉条纹移动数目与温度变化值之间有确定的线性关系.设光纤中2束激光光强分别为I1和I2,根据光的干涉原理,合成光的强度为

其中Δ Φ为2束激光的相位差,Δ Φ等于2kπ时为亮条纹,Δ Φ等于(2k+1)π时为暗条纹(k为级数).设Φ1和Φ2分别为2束激光射出光纤时的相位(Φ1受温度调制):Φ1=Φ10+k0nL1,Φ2= Φ20+k0nL2,Δ Φ=Φ1-Φ2.其中Φ10,Φ20分别为2束相干激光耦合进入光纤时的初相位,L1和L2为光纤的长度,k0为激光在真空中的波矢大小,n为光纤的折射率.将Φ1对温度T求全微分,且等式两边同除以L1,得:

2.2 温度的标定

以温控仪温度为标准温度,从20～40℃,温度每变化1℃,记录相应的条纹净移动数目.以温度为横坐标x,条纹的累积移动数目为纵坐标y,设y=kx,使用最小二乘法进行一元线性回归.通过以下公式:

计算得到比例系数k为9.6/℃,即温度每变化1℃,移动9.6根条纹.线性相关系数r为0.998 7.一元线性回归结果如图2所示.

图2 条纹移动数目与温度变化的关系曲线

2.3 干涉条纹图像的处理

为了测量一段时间内温度的变化,需要持续采集这段时间内的干涉条纹图像.对采集来的所有图像运用Matlab IPT函数进行处理.某幅图像的处理结果如图3所示.

图3 干涉图像处理结果

具体处理步骤如下:

1)读入干涉条纹图像,如图3(a)所示.

2)将干涉条纹旋转至竖直方向,提取较清晰的部分图像,如图3(b)所示.

3)低通滤波,使图像平滑,如图3(c)所示.

4)进行二值化处理,使亮条纹变为白色(灰度值为1),暗条纹变为黑色(灰度值为0),如图3 (d)所示.

5)对二值化图像进行边缘处理,突出暗条纹的边缘,形成边缘检测图像.如图3(e)中的白线对应于图3(d)中暗条纹的边缘.

在进行上述处理后,每幅干涉图像都有其相应的二值化图像[图3(d)]和边缘检测图像[图3 (e)],通过分析多幅二值化图像和边缘检测图像,可以分别判断条纹移动数目及方向.

首先,根据某一点所在处条纹的亮暗变化情况可以判断条纹是否发生移动.在多幅干涉图像[图3(d)]中提取同一指定点(x0,y0)的灰度值,按照图像采集的先后顺序将该值保存在同一数组a中.若a(i+1)≠a(i),则该点处条纹明暗情况发生了1次变化,即从第i幅图像到第i+1幅图像,移动了1根条纹,其中i为干涉图像的幅数.其次,因为图像采集的速度相比条纹移动速度足够快,所以如果对图3(e)中所有白线进行标记,可以认为在前一张图像中距某点最近的那根白线在下一张图像中仍然距该点最近,因此通过跟踪这条特殊的白线,可以判断条纹的移动方向,白线的移动方向与条纹的移动方向一致.

判断方法是:在所有图3(e)中找到离上述指定点(x0,y0)最近的白线,记录下白线所在处的水平坐标,同样按照图像采集的先后顺序保存在另一个数组b中.在a(i+1)≠a(i)的前提下,若b(i+1)>b(i),表明该白线向右移动了,即条纹整体向右移动了1根,反之则条纹整体向左移动了1根.对i进行循环,在a(i+1)≠a(i)的前提下,比较b(i+1)和b(i)的大小,可以统计出条纹向右移动的根数和向左移动的根数,两者相减,若差为正,则温度降低;反之温度升高,差的绝对值为条纹的净移动数目.

3 温度测量实验

使用条纹计数程序进行温度测量实验.温控仪温度从26.9℃上升至29.4℃,即温度升高了2.5℃.在这段时间内以每秒25幅的速度连续采集了904幅576×768大小的BMP格式图像.编写image_process函数实现对图像从滤波到边缘检测的前期处理,编写image_analyze函数实现移动条纹的计数和方向判断.Matlab程序流程如下:

由于条纹移动方向为左移,判断温度为升高,根据shift_No=kΔT=9.6ΔT,得温度升高ΔT=2.6℃,与实际温度升高2.5℃较为接近,说明该条纹计数程序可以较准确地判断条纹移动方向,并计算条纹净移动数目,从而测量出温度的变化,条纹计数的准确性依赖于干涉图像的质量[8].温度测量实验结果如下:条纹净移动数25根,温度变化测量值2.6℃,温控仪温度变化2.5℃,相对偏差3.6%.

4 结束语

本文基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪,运用Matlab数字图像处理技术,实现了温度的测量,具有较好的准确度.对基于马赫-曾德尔干涉的温度测量进行了有益的尝试,实验结果表明基于全光纤马赫-曾德尔干涉并结合图像处理技术的温度测量具有其可行性,有较好的准确度,可以在光纤实验[9]中进行应用.通过本实验可使学生们得到较为全面系统的实验技能训练,本实验具有较好的实验教学和实用价值.

[1] 贾亚民,杨拴科,朱钧.基于强度补偿式光纤传感器测金属线胀系数[J].物理实验,2008,28(10):1-4.

[2] 王晓颖,李武军.等芯径等间距三光纤补偿式位移传感器的实验研究[J].物理实验,2008,28(3):32-35.

[3] 刘京诚,任小宇,陈晓强,等.光纤F-P电流传感器[J].传感器与微系统,2009,28(9):73-74.

[4] 李瑞,肖文,姚东,等.光纤声传感器的实验系统研究[J].光电工程,2009,36(6):131-134.

[5] 王济民,奥诚喜.双光纤温度传感器的研究[J].西北大学学报,2006,36(1):55-58.

[6] 王海潼,袁俊飞,刘姣姣.光纤温度传感器的设计与实现[J].电子测量技术,2007,30(2):68-71.

[7] 周哲海,巫建坤.基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统[J].传感器与微系统,2006,25 (10):67-69.

[8] 尚玉峰,吴重庆,刘海涛,等.对光纤Mach-Zehnder干涉仪的干涉场研究[J].北方交通大学学报, 2002,26(3):63-65.

[9] 张权,朱玲,孙晴,等.光纤干涉系列实验教学的探索与实践[J].物理实验,2009,29(1):21-23.

Temperature measurement experiment based on the all-fiber Mach-Zehnder interferometer

ZHANG Ya-xing,ZHAO Peng,ZHANGJie,MIAO Ming-chuan
(School of Physics and Nuclear Energy Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

A temperature measurement experiment based on the all-fiber Mach-Zehnder interferometer is described.The principle of this experiment is introduced.The measurement system is calibratedfrom 20℃to 40℃.The interference images are processed and the number of fringe shift is counted by the Matlab program utilizing digital image processing technique.This program is verified in the temperature measurement experiment,and good accuracy is achieved.

Mach-Zehnder interferometer;temperature measurement;Matlab;digital image processing

O436.1;TP212.11

A

1005-4642(2010)09-0043-04

[责任编辑:郭 伟]

2009-10-13;修改日期:2010-01-06

北京航空航天大学SRTP项目支持(No.SRTP4303107)

张亚星(1988-),男,湖南岳阳人,北京航空航天大学物理科学与核能工程学院本科生.

指导教师:苗明川(1959-),男,北京人,北京航空航天大学物理科学与核能工程学院副教授,博士,从事光电测试技术研究.