基于舌簧繼電器和電信號(hào)實(shí)現(xiàn)激光光波控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

舌簧繼電器是一種電子控制器件，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中。它是利用密封在管內(nèi)，具有觸點(diǎn)簧片和銜鐵磁路雙重作用的舌簧的動(dòng)作來(lái)開(kāi)，閉或轉(zhuǎn)換線路的繼電器。濕簧繼電器是將舌簧片和觸點(diǎn)均密封在管內(nèi)，并通過(guò)管底水銀槽中水銀的毛細(xì)作用，而使水銀膜濕潤(rùn)觸點(diǎn)的舌簧繼電器。本文將濕簧繼電器應(yīng)用于激光控制領(lǐng)域，對(duì)于濕簧繼電器本身來(lái)說(shuō)是一種新的應(yīng)用與設(shè)計(jì)。對(duì)于激光光波的控制，它作為一種中間媒質(zhì)建立外部電信號(hào)與激光光波的控制關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光波形，波形周期的控制，該方案在激光光源外進(jìn)行控制，對(duì)激光本身的特性沒(méi)有影響，可以減少激光的失真度，并且對(duì)光源的要求限制很少，使實(shí)驗(yàn)方案具有普遍靈活性。同時(shí)也具有穩(wěn)定性高，輸出波形不易發(fā)生畸變，驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)。

利用電信號(hào)對(duì)激光光波進(jìn)行控制的方法，多是利用某些晶體材料在外加電場(chǎng)作用下折射率發(fā)生變化的電光效應(yīng)，此種方法的主要問(wèn)題是需要較高的驅(qū)動(dòng)功率，穩(wěn)定性較差，光波容易發(fā)生畸變等。而濕簧繼電器具有觸點(diǎn)無(wú)抖動(dòng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使本設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，而作為觸點(diǎn)的舌簧片被封結(jié)在沖有氮?dú)獠ＡЧ軆?nèi)，也使得設(shè)計(jì)有較好的溫度穩(wěn)定性。且可以得到較好的輸出波形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)。

1、 濕簧繼電器基本工作原理

濕簧繼電器是一種電子控制器件，它由濕簧管和驅(qū)動(dòng)線圈組成，結(jié)構(gòu)如圖1，

濕簧管是濕簧繼電器的核心，它充有一定量的水銀，依靠動(dòng)簧片的毛細(xì)管作用，可使處于濕簧管下端的水銀上升，從而使動(dòng)，靜觸點(diǎn)被水銀膜潤(rùn)濕。當(dāng)在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，動(dòng)簧片就會(huì)在電磁力吸引的作用下吸向靜簧片，從而使動(dòng)簧片與靜簧片吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，動(dòng)簧片就會(huì)返回原來(lái)的位置，使動(dòng)簧片與靜簧片分開(kāi)。

在本實(shí)驗(yàn)中，使激光光路對(duì)準(zhǔn)在靜簧片右側(cè)面，因?yàn)闈窕衫^電器中的水銀依靠動(dòng)簧片的毛細(xì)管作用上升，當(dāng)動(dòng)簧片運(yùn)動(dòng)至靜簧片右側(cè)與他接觸時(shí)是通過(guò)動(dòng)簧片上的水銀與靜簧片接觸，將光斑對(duì)準(zhǔn)在靜簧片的右側(cè)可以使得光控制速度較快，并且通過(guò)附著在動(dòng)簧片上的水銀珠來(lái)?yè)踝」饴罚缘玫捷^大的消光比。將激光對(duì)準(zhǔn)在動(dòng)簧片右側(cè)時(shí)，濕簧繼電器結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)線圈兩端不加電壓時(shí)，光路為開(kāi)的狀態(tài)。當(dāng)線圈通有電壓時(shí)，由于動(dòng)簧片向靜簧片吸合，同時(shí)水銀由于毛細(xì)管作用上升至動(dòng)簧片與靜簧片的接觸點(diǎn)，使光路被遮擋住，光路為關(guān)的狀態(tài)。通過(guò)在線圈上加載信號(hào)，使光路處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)激光光波的控制。

2、 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 對(duì)光光路的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要通過(guò)準(zhǔn)直器來(lái)完成對(duì)光路的調(diào)節(jié)，光纖準(zhǔn)直器由尾纖與自聚焦透鏡精確定位而成。它可以將光纖內(nèi)的傳輸光轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)直光，或?qū)⑼饨缙叫?a href="http://wenjunhu.com/yuanqijian/guangou/" target="_blank">光耦合至單模光纖內(nèi)。設(shè)計(jì)中，通過(guò)準(zhǔn)直器將光斑定位于靜簧片的右側(cè)。準(zhǔn)直器與濕簧繼電器整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖3，圖4所示，其中準(zhǔn)直器可以通過(guò)旋鈕進(jìn)行高度，水平位置，水平角度等的調(diào)節(jié)，從而對(duì)光路進(jìn)行精密的調(diào)節(jié)，使得對(duì)光結(jié)果達(dá)到最好。同時(shí)，將濕簧繼電器固定在可調(diào)的平臺(tái)上，該平臺(tái)也可以進(jìn)行高度，水平位置，水平角度等的調(diào)節(jié)，以使得對(duì)光路的調(diào)節(jié)更為方便精密。

在對(duì)光時(shí)，為了便于對(duì)光可以選擇紅光激光源進(jìn)行粗調(diào)，之后可以選擇其他任意激光源，這使本設(shè)計(jì)方案對(duì)光源的要求限制較少，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)方案的靈活性與普遍性。通過(guò)準(zhǔn)直器和放置濕簧繼電器的平臺(tái)上的微調(diào)旋鈕進(jìn)行微調(diào)。調(diào)節(jié)過(guò)程中，通過(guò)功率計(jì)對(duì)光路中各部分的光功率進(jìn)行測(cè)量以完成光路的調(diào)節(jié)。在本實(shí)驗(yàn)中選擇1 550nm波長(zhǎng)激光源進(jìn)行結(jié)果測(cè)量。

線圈上加載信號(hào)源來(lái)對(duì)光路進(jìn)行控制。所用驅(qū)動(dòng)電壓為3V左右即可，使用交流脈沖信號(hào)源對(duì)光路進(jìn)行控制，可以改變交流脈沖源的頻率來(lái)對(duì)激光輸出光波形，激光光波周期的進(jìn)行控制。

2．2 實(shí)驗(yàn)整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，選擇穩(wěn)定的1550nm波長(zhǎng)激光源作為光源，通過(guò)準(zhǔn)直器對(duì)光路，使得激光輸出光對(duì)準(zhǔn)在靜簧片右側(cè)面，通過(guò)另一個(gè)準(zhǔn)直器接收通過(guò)濕簧繼電器的光，在準(zhǔn)直器輸出端加入光放大器，以使得輸出光便于在示波器上觀察。將光放大器輸出光接入帶有光口的示波器進(jìn)行探測(cè)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所選用的示波器為HP83430A。使用交流信號(hào)源對(duì)濕簧繼電器的進(jìn)行控制，將交流脈沖信號(hào)源加載到濕簧繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈兩端，以實(shí)現(xiàn)對(duì)濕簧繼電器簧片等的控制。同時(shí)將該交流脈沖信號(hào)源的同步時(shí)鐘輸入到示波器上，作為示波器的觸發(fā)時(shí)鐘，以使得示波器與控制信號(hào)源到達(dá)同步狀態(tài)。控制信號(hào)源為HP 813lA。

3 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

因?yàn)榧t光激光源便于觀察，首先利用紅光激光源對(duì)光路進(jìn)行粗調(diào)，之后，利用1550nm波長(zhǎng)激光源作為本實(shí)驗(yàn)的光源進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)量，1550nm波長(zhǎng)激光源的輸出光功率為4．01dBm，經(jīng)過(guò)對(duì)光后，當(dāng)光路中沒(méi)有濕簧繼電器時(shí)，第二個(gè)準(zhǔn)直器接收到的光功率為4．99dBm。當(dāng)光路中加入濕簧繼電器后，對(duì)通過(guò)EDFA進(jìn)行放大后的接收光功率進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)濕簧繼電器的簧片沒(méi)有接通時(shí)，光路處于開(kāi)的狀態(tài)時(shí)，接收光功率為一8．43dBm， 當(dāng)濕簧繼電器的簧片接通時(shí)，光路處于關(guān)的狀態(tài)時(shí)，接收光功率為一13．56dBm，消光比為5．1dB。

交流信號(hào)源為周期脈沖信號(hào)，觀察脈沖信號(hào)周期不同時(shí)，輸出激光波形，與周期的情況。當(dāng)選擇的周期為3ms，驅(qū)動(dòng)電壓為3v時(shí)，將該信號(hào)加載到濕簧繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈上，以控制濕簧繼電器簧片與水銀的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)該信號(hào)加載到線圈后，通過(guò)該系統(tǒng)的光就被該交流信號(hào)源所控制。示波器上經(jīng)過(guò)信號(hào)源控制的波形如圖6所示，控制光周期為3ms，與交流信號(hào)源頻率相同，其中，上升時(shí)間為1．65ms，下降時(shí)間為1．35ms，光波幅度差為經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的1100uW。波形為近似正弦波形。這是因?yàn)樯仙龝r(shí)間與下降時(shí)間之和與信號(hào)源的周期相近，整個(gè)波形由上升沿和下降沿組成。

當(dāng)交流信號(hào)源周期為40ms時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓為3v。示波器上經(jīng)過(guò)信號(hào)源控制的波形如圖7所示，控制光周期為40ms，與交流信號(hào)源頻率相同，其中，上升時(shí)間為1．3ms，下降時(shí)間為1．55ms，控制深度經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后為890uW。波形為方波。周期為40ms．該輸出波形穩(wěn)定，受外界影響較小，且波形較好，使用的驅(qū)動(dòng)電壓也較低，這也充分體現(xiàn)證實(shí)了該方案的優(yōu)點(diǎn)。

由以上結(jié)果可以分析得到，利用濕簧繼電器作為媒質(zhì)通過(guò)準(zhǔn)直器對(duì)光后，可以實(shí)現(xiàn)外部電信號(hào)對(duì)激光光波形，周期的控制。波形可以為正弦波，方波等。當(dāng)外加信號(hào)源周期為3ms時(shí)，可以得到正弦波，當(dāng)外加信號(hào)大于3ms時(shí)，波形即為方波。激光光波的周期由信號(hào)源控制與信號(hào)源相同。

4 、結(jié) 論

通過(guò)分析觀察濕簧繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用濕簧繼電器簧片與水銀的運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)通過(guò)其中的光路進(jìn)行控制，由于濕簧繼電器是通過(guò)交流信號(hào)源控制的，所以此交流信號(hào)源也對(duì)光路進(jìn)行了控制，該控制方法具有較低的驅(qū)動(dòng)電壓，高的穩(wěn)定性，和較好的溫度穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)光源的要求限制很少，具有普遍適用性和靈活性。而其具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研究和產(chǎn)品的研發(fā)等具有很好的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，本文也是對(duì)濕簧繼電器的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

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