劉　昕,喬飛帆,曹麗丹,劉　維

(首都師范大學(xué) 物理系，北京 100048)

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光纖壓力傳感器的性能研究

劉昕,喬飛帆,曹麗丹,劉維

(首都師范大學(xué) 物理系，北京 100048)

摘要：利用自制的全光纖馬赫-曾德爾干涉儀，對(duì)壓力引起的光功率的變化進(jìn)行了測(cè)量和分析，給出了該系統(tǒng)相干檢測(cè)最佳工作范圍是5~13 N, 靈敏度為-0.130 0 μW/N. 在不同溫度變化范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，光功率分別以0.223 4 μW/N到0.482 3 μW/N的變化率減小.

關(guān)鍵詞：全光纖馬赫-曾德爾干涉儀；壓力傳感器；溫度；靈敏度；多信號(hào)檢測(cè)

1引言

與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比，光纖壓力傳感器具有體積小、重量輕、不受電磁干擾和可用于易燃易爆的環(huán)境中等特點(diǎn)，以它為基礎(chǔ)構(gòu)成的分布式壓力傳感系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[1-3]. 由于具有抑制光源噪聲和模式噪聲的優(yōu)勢(shì)，光纖馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀在高精度測(cè)量中應(yīng)用越來越廣泛，它可以對(duì)溫度、壓力、磁場(chǎng)、電流和超聲波等多種物理量進(jìn)行測(cè)量[4-5].

本文利用自制的全光纖馬赫-曾德爾干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)，對(duì)壓力信號(hào)引起的光功率變化進(jìn)行了測(cè)試，在確定該系統(tǒng)壓力工作范圍的基礎(chǔ)上，得到了不同溫度下，光功率隨壓力變化的情況；該項(xiàng)工作對(duì)于光纖傳感器的多信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用有參考價(jià)值.

2理論分析

一般來說，壓力等外界物理量都能直接影響3個(gè)光纖參量從而影響其中光波的相位. 具體可以分為以下3個(gè)方面[6]：

1)縱向應(yīng)變(光纖被拉長(zhǎng))引起的相位變化為

(1)

2)橫向應(yīng)變(光纖被擠壓)引起的相位變化為

(2)

3)光彈效應(yīng)(橫縱綜合影響)引起的相位變化為

(3)

3測(cè)試系統(tǒng)

光纖馬赫-曾德爾光纖干涉儀系統(tǒng)框圖[6-7]如圖1所示. 從激光器發(fā)出的光，經(jīng)3 dB耦合器之后，其中一束光在參考臂中傳播，另外一束在傳感臂中傳輸，壓力信號(hào)加在傳感臂，經(jīng)過第2個(gè)3 dB耦合器的光將信號(hào)送到光功率計(jì)，根據(jù)雙光束干涉原理，2路光的光強(qiáng)分別為[8]

圖1　光纖馬赫-曾德爾干涉儀壓力傳感系統(tǒng)框圖

(4)

(5)

由于I∝P，故將(4)~(5)式轉(zhuǎn)化為

(6)

(7)

式(6)和(7)中，Pm為輸出光功率幅值，Pm0為輸入的光功率幅值，α為光強(qiáng)衰減因子，C為系統(tǒng)參量，Δφ表示待測(cè)量變化引起的參考臂與傳感臂間的相位差. 考慮(3)式中的相位差，3 dB耦合器合波后的光強(qiáng)度為

(8)

(9)

光功率為

(10)

(11)

當(dāng)相位差較小時(shí)，有輸入的壓力信號(hào)與輸出的光功率之間呈線性關(guān)系.

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示. 光從光源發(fā)出，經(jīng)過Y型光耦合器后分為2路. 傳感臂通過壓力裝置施加不同壓力信號(hào)，參考臂不施加任何信號(hào)，2路光纖通過X型光耦合器合為1路，并通過光功率計(jì)檢測(cè)其光功率變化. 壓力裝置由1個(gè)壓力傳感器與1個(gè)施力裝置構(gòu)成，傳感光纖放置在設(shè)置好的壓力傳感器與施力裝置之間，當(dāng)不斷向下旋轉(zhuǎn)施力裝置時(shí)，光纖所承受的壓力將通過壓力傳感器反應(yīng)在數(shù)顯儀表上.

圖2　光纖馬赫-曾德爾干涉儀壓力傳感系統(tǒng)實(shí)物圖

4測(cè)試結(jié)果與分析

系統(tǒng)性能測(cè)量結(jié)果見圖3. 當(dāng)壓力信號(hào)小于5 N時(shí)，擬合得到線性關(guān)系為y=-0.045 1x+2.931 2，其檢測(cè)靈敏度為-0.045 1 μW/N；當(dāng)壓力信號(hào)在5~13 N范圍內(nèi)時(shí)，線性關(guān)系為y=-0.130 0x+3.372 2，靈敏度為-0.130 0 μW/N；而當(dāng)壓力大于13 N時(shí)，輸出信號(hào)受噪聲影響較大，線性關(guān)系為y=-0.010 7x+1.840 7，靈敏度僅為-0.010 7 μW/N. 由此可以看出當(dāng)壓力大于5 N小于13 N時(shí)，該系統(tǒng)壓力檢測(cè)具有較好的效果.

一定溫度條件下改變壓力時(shí)，隨著壓力的增大，光功率減小，如圖4所示. 當(dāng)溫度分別為25，33，40，51，61,65 ℃時(shí)，其靈敏度分別為-0.223 4，-0.418 8，-0.294 3，-0.482 3，-0.402 3,-0.376 8 μW/N，相關(guān)系數(shù)均大于0.95,具體線性關(guān)系式如圖4所示. 圖5給出了靈敏度隨溫度變化的曲線，可以看出，系統(tǒng)的溫度分辨率不高，需要更有效的相位控制器和更好的溫度調(diào)控系統(tǒng).

圖3　相干檢測(cè)壓力擬合曲線

圖4　不同溫度條件下壓力信號(hào)的比較

圖5　不同溫度時(shí)壓力靈敏度

5結(jié)論

本文光纖調(diào)制技術(shù)，利用自制全光纖馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)，進(jìn)行了壓力信號(hào)的檢測(cè)，得到如下結(jié)論：

1)該系統(tǒng)對(duì)不同范圍的壓力信號(hào)，靈敏度各不相同，當(dāng)壓力在0~5 N范圍內(nèi)，其靈敏度為-0.045 1 μW/N，相關(guān)系數(shù)為0.951 4；當(dāng)壓力在5~13 N范圍內(nèi)，其靈敏度為-0.130 0 μW/N，相關(guān)系數(shù)為0.967 9；當(dāng)壓力在13 N以上時(shí)，其靈敏度僅為-0.010 7 μW/N，相關(guān)系數(shù)0.745 2. 即壓力信號(hào)在5~13 N之間時(shí)，系統(tǒng)測(cè)試效果最好.

2)對(duì)不同溫度下的壓力變化進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)溫度從25 ℃到65 ℃變化時(shí)，壓力信號(hào)從0到10 N變化，系統(tǒng)靈敏度在0.223 4 ~0.482 3 μW/N之間變化，說明該系統(tǒng)對(duì)溫度變化的感應(yīng)并不靈敏.

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[責(zé)任編輯：郭偉]

Properties of fiber optic pressure sensor

LIU Xin, QIAO Fei-fan, CAO Li-dan, LIU Wei

(Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

Abstract:The fiber optic pressure sensing system based on Mach-Zehnder interferometer technology was investigated. All-fiber Mach-Zehnder interferometer system was built and the optimum pressure range was given from 5 N to 13 N with the sensitivity of -0.130 0 μW/N. The stress induced changes in the optical power were measured and analyzed under different temperature conditions. The results showed that the optical power decreased with increasing pressure and the system sensitivities were different from -0.223 4 μW/N to -0.482 3 μW/N.

Key words:all optical fiber Mach-Zehnder interferometer; pressure sensor; temperature; sensitivity; multi-signal detection

中圖分類號(hào)：O436.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)02-0034-04

作者簡(jiǎn)介：劉昕(1993-)，女，天津人,首都師范大學(xué)物理系2011級(jí)本科生.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61371055)

收稿日期：2014-06-03

“第8屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：劉維(1965-)，女，北京人，首都師范大學(xué)物理系副教授，博士，主要從事應(yīng)用光學(xué)方面的研究.