雍萬飛, 朱倩薇, 馬軍山

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093)

引 言

光纖傳感器與目前市場上其他傳感器比較具有靈敏度較高、頻帶較寬、抗電磁干擾能力強和不容易被腐蝕等優(yōu)點。光纖傳感器可應用于國民經濟與國防事業(yè)的很多領域,尤其是能在惡劣的環(huán)境中使用,所以,光纖傳感器已經成為機載光學傳感器的必然發(fā)展趨勢[1]。光纖傳感技術是伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為媒質,感知和傳輸外界信號的新型傳感技術[2]。

從使用的角度來看,國內外光纖位移傳感器僅使用線性良好的前坡,可測量區(qū)間小,在使用上有很大的局限性[3]。近年來基于光纖扭轉的光斑旋轉的傳感器開始被研究,王華等[4]提出了基于光纖輸出光斑旋轉的位移傳感器,本文在其基礎上,對其結構進行了改進,將被壓縮的光纖環(huán)增加到4個,因增加了光纖環(huán)的數量,由此可以實現多點監(jiān)控。

1 實驗原理和系統結構

光波是一種電磁波,光纖中的模是指電磁波在光纖中的存在方式和傳播方式。光波在光纖中的傳播遵從麥克斯韋方程組,解麥克斯韋方程組所得到的特征函數就是光纖中存在的模,與此相對應的特征值就是傳播常數β。

在光纖不受外力影響的情況下,光在光纖中的傳輸模式由一組衰減的偏振模組成,而當光纖彎曲時,光為在光纖彎曲部分保持同相位的電場和磁場在一個平面里,則越靠近光纖外側,其傳播速度就越大,當傳到某一位置時,其相速度就會超過光速,這意味著傳導模要變成輻射模。這樣,彎曲光纖中所承載的模比直光纖中少,彎曲光纖的曲率半徑決定了光纖承載的有效傳導模式的數量,且曲率半徑越小,損耗越大,其在光纖中傳輸的模式就越少[5- 6]。正常情況下,單模光纖中只有基模傳輸,如果將一段光纖繞成一個圈,由于彎曲損耗改變了光在光纖中傳輸模式數量,調整光纖圈直徑大小,就可以獲得雙光斑低階模[7]。

根據上述光纖傳播模式的變化原理,設計了可以多點監(jiān)控的光纖位移傳感器。為了驗證所設計的傳感器,搭建了如圖1所示的實驗裝置,整個裝置由光源(632.8 nm的氦氖激光器)、5個級聯光纖環(huán)(1個調節(jié)光纖環(huán)和4個可形變的傳感光纖環(huán),均是直徑為20 cm的雙圈圓環(huán))、可移動擋板、CCD接收器和電腦等組成。當激光器發(fā)出的激光經過聚焦透鏡耦合到單模光纖里,為了在光纖出射端獲得雙光斑,調整調節(jié)光纖環(huán)半徑,將其直徑從20 cm慢慢變?yōu)?0 mm時,由于輻射損耗的改變,岀射光斑數量逐漸變?yōu)殡p光斑。使可移動擋板產生位移,依次壓縮4個傳感光纖環(huán),此時4個光纖環(huán)在一定范圍內發(fā)生形變,在一定壓縮范圍內岀射的光斑始終是雙光斑,但雙光斑產生了旋轉。用CCD接受光纖傳出的雙光斑旋轉圖像,再把圖像送計算機進行處理。

圖1 實驗原理圖Fig.1 Experimental schematic diagram

2 實驗過程及結果討論

圖2為CCD接受到的雙光斑繞中心點旋轉的圖像。

由圖2可見,隨著可移動擋板的位移逐漸增大,傳感光纖環(huán)產生形變也加大,出射雙光斑整體按順時針的方向旋轉也越多。這是由于單模光纖具有較強的雙折射效應,當光纖環(huán)受壓變形時,導致光纖環(huán)雙折射的變化,進而使傳輸模能量分布變化,表現為光斑的旋轉。當光纖受到周期性的擠壓彎曲時,雙光斑會受幾何效應與彈光效應的共同影響。幾何效應使得光斑隨著光纖扭轉而旋轉[8],彈光效應則會影響介質的折射率,發(fā)生雙折射現象,進而使傳輸模能量空間分布變化,表現為光斑的旋轉[4]。同時在這一過程中,兩個光斑各自的光強有所衰減或增強,這是因為在光纖受壓的過程中,傳輸模能量強度分布發(fā)生了變化。

圖3是用MATLAB軟件將圖2圖像經二值化處理后得到的圖像。

圖2 光斑旋轉圖Fig.2 Images of spot rotation

圖3 光斑二值化Fig.3 Spot binarization

利用Regionprops區(qū)域函數來獲得兩個白色區(qū)域,用Centroid求得兩中心點的坐標,獲得兩點坐標后,用antn函數求出弧度,最后再將弧度轉化為角度,即可得出光斑的旋轉角度值[9]。

圖4是用MATLAB軟件處理得到的光斑旋轉角度和壓縮位移的關系曲線,并得到4個傳感光纖環(huán)的靈敏度分別為7.661 3、10.778 4、11.853 5、12.882 3 (°)/mm。

結合圖4可以得出他們的靈敏度依次增大,傳感光纖環(huán)1靈敏度最小,傳感光纖環(huán)4的靈敏度最大。在一定范圍內分別壓縮傳感光纖環(huán)1、2、3和4,光斑旋轉角度和壓縮位移均呈良好的線性關系。由于傳感光纖1、2、3、4均有壓縮位移和光斑旋轉角度呈良好的線性關系,故可以利用這一原理用于環(huán)境人員流動的監(jiān)控。

圖4 光斑角度與位移之間的關系Fig.4 The relationship between spot angle and displacement

3 結 論

提出了一種基于光斑旋轉的光纖傳感器的監(jiān)控技術,并介紹了傳感器的工作原理。觀察并定性解釋了實驗現象,得到了光斑旋轉角度與位移之間的關系。研究結果表明,該監(jiān)控系統結構簡單,靈敏度高且線性度好。此外,該光纖傳感器還可拓展為門禁報警器等,具有廣闊的應用前景。

[1] 胡建良.光纖微位移傳感器研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2008.

[2] 劉躍輝,張旭蘋,董玉明.光纖壓力傳感器[J].光電子技術,2005,25(2):124-132.

[3] 丁小平,王薇,付連春.光纖傳感器的分類及其應用原理[J].光譜學與光譜分析,2006,26(6):1176-1178.

[4] 王華,吳駿,查媛,等.基于光纖輸出光斑旋轉的位移傳感器[J].光學技術,2015,41(1):89-92.

[5] HARAN F M,BARTON J S,JONES J D C.Bend loss in buffered over- moded optical fibre:LP11mode and ‘whispering gallery’ mode interaction[J].Electronics Letters,1994,30(17):1433-1434.

[6] 馬賓,隋青美.基于光纖微彎傳感器的汽車動態(tài)稱重系統設計[J].傳感技術學報,2010,23(8):1195-1200.

[7] 李曉沛,鄒亞琪,馬軍山.光纖宏彎損耗與溫度傳感的理論分析[J].光學儀器,2012,34(2):44-49.

[8] 范宇強,袁余峰,魏婉婷,等.基于LP21模式的光纖彎曲傳感器[J].光學學報,2012,32(11):1128005.

[9] 何希平,張瓊華.基于MATLAB的圖像處理與分析[J].重慶工商大學學報(自然科學版),2003,20(2):22-26.