王 帥,吳 越,宋言明,李 紅,孟凡勇,祝連慶

(1.北京信息科技大學(xué) 光電測試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室,北京 100016)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)生活的不斷發(fā)展,角度測量越來越廣泛的應(yīng)用于科研、工業(yè)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域,技術(shù)水平和測量準(zhǔn)確度也在不斷提高[1],因此傾角傳感器被廣泛應(yīng)用于道路檢測[2],橋梁監(jiān)測[3],建筑物健康監(jiān)測[4],國防工業(yè)[5],航空航天[6],科學(xué)研究[7]等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)傳感器相比,光纖傾角傳感器有著重量輕、體積小、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[8]。

光纖傾角傳感器主要分為光纖光柵式和光纖干涉式傾角傳感器。光纖光柵傾角傳感器[9]主要是利用光纖布拉格光柵(FBG)制作的,當(dāng)傾角發(fā)生變化時(shí),通過改變FBG柵區(qū)的折射率從而引起反射光譜的波長漂移,通過對(duì)波長漂移的分析來測量傾角。H.Y.Au[10]等人在2011年提出一種二維傾角傳感器,它是將四根刻寫FBG的光纖分別粘貼在正方形金屬框架的四個(gè)臂中心點(diǎn)上。圓柱體的重心與光纖的交點(diǎn)重合,因此在方框的中心。當(dāng)傳感器傾斜時(shí),根據(jù)四個(gè)FBG反射光譜的波長漂移可以實(shí)現(xiàn)角度測量。該傳感器傾角靈敏度0.0395 nm/°?；贔BG的傾角傳感器靈敏度較低,且FBG的成本較高。光纖干涉式傾角傳感器是基于光學(xué)干涉原理構(gòu)造的,主要有邁克爾遜(Michelson)干涉式[11],馬赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉式[12],以及F-P干涉式[13]。2011年,Amaral[14]等人基于Michelson干涉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了一種光纖傾角傳感器。傾角傳感器由單模光纖和光纖拉錐組成,通過對(duì)測試結(jié)果解調(diào)分析得到其傾角響應(yīng)特性。Cheng-Ling Lee[15]等人在2014年提出了一種基于 Mach-Zehnder干涉儀的光纖傾角傳感器。它包括光纖錐體和鐵球,并在鐵球兩端固定上錐體,當(dāng)傾角變化時(shí)鐵球拉伸光纖錐體,從而導(dǎo)致反射光譜變化,實(shí)現(xiàn)傾角測量。該傳感器正方向的傾角靈敏度為0.125 nm/°?；诠饫w干涉式傾角傳感器一般結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,靈敏度普遍較低。Yiyang Zhuang[16]等人在2018年提出一種基于F-P腔的光纖傾角儀,它是基于擺式結(jié)構(gòu),雙線下固定一個(gè)長方體形狀的質(zhì)量塊,側(cè)面固定有光纖端面,當(dāng)傳感器發(fā)生傾斜時(shí),F-P腔長就會(huì)發(fā)生改變,通過測量波長變化獲得傾角值。

在之前的研究基礎(chǔ)上[13,16],本文提出了一種基于F-P干涉的光纖傾角傳感器。該傳感器為“單模光纖-毛細(xì)管-單模光纖”結(jié)構(gòu),毛細(xì)管一端放入端面鍍金膜的單模光纖,另一端放入預(yù)切割好的單模光纖,并將毛細(xì)管和單模光纖用環(huán)氧樹脂膠固定在金屬片上。該傳感器利用空氣腔長的改變引起波長漂移,從而實(shí)現(xiàn)傾角測量。在0°～10°測量范圍內(nèi),傾角靈敏度為0.2031 nm/°；在45 ℃～49 ℃溫度范圍內(nèi),溫度靈敏度為4.777 nm/℃。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 光纖F-P干涉原理

本文介紹的傾角傳感器是基于光纖F-P干涉原理制作的。圖1所示為光纖F-P干涉原理示意圖,由圖1可知,當(dāng)輸入光經(jīng)過單模光纖L1傳輸?shù)竭_(dá)端面時(shí),部分光被反射回來；剩余光經(jīng)過空氣腔傳輸?shù)絾文９饫wL2,部分光被端面反射回來。由于反射回來的兩束光經(jīng)過的路徑不同,因此兩束反射光之間存在光程差,相互疊加發(fā)生F-P干涉。

圖1 光纖F-P干涉原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of fiber F-P interference principle

F-P干涉反射光強(qiáng)IR表達(dá)式如下:

(1)

式中,I0為入射光強(qiáng);R1和R2分別為單模光纖L1和L2的反射率;φ為兩個(gè)端面反射出的光的初始相位差,其中:

(2)

式中,n0為諧振腔的折射率;d為空氣腔長;λ為波長。當(dāng)相位差φ=2mπ(m為整數(shù))時(shí),干涉光強(qiáng)有最大值；當(dāng)φ=(2m+1)π(m為整數(shù))時(shí),干涉光強(qiáng)有最小值。根據(jù)F-P干涉理論,干涉相位最強(qiáng)的中心波長λm可以表示為:

(3)

根據(jù)公式(3)可知,隨著F-P干涉腔長度的變化,干涉相位的中心波長會(huì)發(fā)生漂移。

2.2 傾角傳感原理

圖2所示為傾角傳感結(jié)構(gòu)示意圖。將單模光纖和毛細(xì)管用膠水固定在金屬基底上,在金屬基底尾端固定一質(zhì)量塊。毛細(xì)管內(nèi)徑略大于單模光纖直徑，并約束兩單模光纖在同一水平面發(fā)生相對(duì)位移。將該結(jié)構(gòu)等效為懸臂梁結(jié)構(gòu)。兩個(gè)單模光纖端面反射光形成F-P干涉。當(dāng)傳感結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜時(shí),兩個(gè)單模光纖間距發(fā)生變化。

圖2 傾角傳感結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of inclination sensing structure

對(duì)圖2所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析如圖3所示。

圖3 懸臂梁結(jié)構(gòu)受力分析示意圖Fig.3 Force analysis of cantilever beam structure

對(duì)圖3分析可知,當(dāng)傾角為0°時(shí),所受重力G等于沿桿方向的拉力,壓力F為0 N,空氣腔長為d；當(dāng)傾角發(fā)生改變時(shí),壓力F為:

F=Gsinθ

(4)

其中,θ為傾斜角度。由于受到壓力作用,金屬片發(fā)生形變,空氣腔長變?yōu)閐+Δd。對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,仿真選用的金屬片為鋁合金材質(zhì),長為70 mm,寬為6 mm,厚度為2 mm,兩固定圓孔直徑為3.5 mm。單模光纖為玻璃材質(zhì),纖芯直徑是125 μm。兩單模光纖端面初始間距(即空氣腔長)為400 μm。當(dāng)對(duì)其尾端施加垂直端面向下的壓力時(shí),兩端面間距會(huì)發(fā)生變化。圖4展示了懸臂梁結(jié)構(gòu)分別受到0.1 N、0.3 N、0.5 N、0.7 N壓力時(shí)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析圖。對(duì)圖4所示的仿真進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示。

(a)0.1 N

(b)0.3 N

(c)0.5 N

(d)0.7 N圖4 懸臂梁結(jié)構(gòu)受到不同壓力時(shí)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析圖Fig.4 Static structure analysis diagram of cantilever beam subjected to different pressures

由表1可知,當(dāng)傾角變化時(shí),懸臂梁尾端受到壓力產(chǎn)生形變,因此傳感器的空氣腔長會(huì)發(fā)生改變,從而引起光譜儀中反射光譜發(fā)生變化,引起波長漂移。通過對(duì)波長漂移分析,可以實(shí)現(xiàn)傾角的測量。

表1 不同受力情況下仿真結(jié)果分析Tab.1 Simulation results analysis under different stress conditions

3 實(shí)驗(yàn)和分析

光纖傾角傳感器主要由兩根單模光纖和毛細(xì)管組成,圖5所示為光纖F-P傾角傳感器實(shí)物圖。毛細(xì)管的內(nèi)徑為150 μm,預(yù)先去除掉涂覆層。兩根單模光纖端面均用切割刀切平,且L2端面鍍上一層金膜,目的是增大其反射率,增強(qiáng)反射光功率和消光比。金屬片為鋁合金材質(zhì),長為70 mm,寬為6 mm,厚度為2 mm,兩固定圓孔直徑為3.5 mm。實(shí)驗(yàn)用的膠水為環(huán)氧樹脂膠。傳感器的制作步驟為:首先,將毛細(xì)管點(diǎn)膠固定在金屬片中間位置；然后,將L2穿入毛細(xì)管的一端,并用膠水固定；最后,在毛細(xì)管的另一端放入單模光纖L1,L1也固定在金屬片上,L1的另一端與光譜儀相連,通過調(diào)整L1端面在毛細(xì)管中的位置改變腔長大小,從而改變光譜儀中的反射光譜,將L1用膠水固定。將制作好的傳感器靜置固化24 h。

圖5 光纖F-P傾角傳感器實(shí)物圖Fig.5 Optical fiber F-P inclination sensor physical picture

圖6是傾角傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。采用摻鉺光纖放大器產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射(ASE)作為光源,波長范圍在C+L波段,輸出功率為50 mW。使用光學(xué)光譜分析儀(OSA)觀測傳感器反射光譜的波長漂移。光環(huán)形器(OC)用于連接光源、光譜儀和傳感器。寬帶光源發(fā)出的光通過光環(huán)形器1端口傳輸?shù)絻A角傳感器,傾角傳感器反射回來的光通過2端口返回,環(huán)形器3端口連接光學(xué)光譜分析儀進(jìn)行觀測。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置光譜儀的波長測量范圍為1530～1560 nm。傾角位移平臺(tái)角度調(diào)節(jié)范圍為-15°～+15°。實(shí)驗(yàn)在精密光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行,傾角傳感器始終處于同一個(gè)水平位置上。

圖6 光纖F-P傾角傳感器角度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Optical fiber F-P angle sensor angle experiment system

將傳感結(jié)構(gòu)固定在傾斜位移平臺(tái)上,傳感結(jié)構(gòu)尾端固定一質(zhì)量塊,該質(zhì)量塊采用不銹鋼材質(zhì),直徑為3.00 cm,質(zhì)量為54.37 g。傳感結(jié)構(gòu)通過光環(huán)形器與光源、光譜儀相連接。將傾角儀的刻度調(diào)到0°,待光譜穩(wěn)定后保存光譜數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)動(dòng)傾角儀依次增加2°,重復(fù)上面操作,待光譜穩(wěn)定后分別記錄2°、4°、6°、8°、10°的反射光譜。

在室溫下,改變傾角的大小,通過多次實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7為傾角改變時(shí)的波長漂移圖,由圖7可知,當(dāng)傾角變大時(shí),反射光譜向長波長方向漂移,與理論分析一致；圖8為傾角和反射波長的擬合曲線圖,由圖8可知,在室溫下,傾角與反射波長呈線性相關(guān)。該傳感器傾角靈敏度為0.2031 nm/°,線性度為0.99707。

圖7 傾角改變時(shí)的波長漂移Fig.7 Wavelength drift when the dip angle changes

圖8 角度和反射波長關(guān)系Fig.8 Relation between angle and reflected wavelength

為了驗(yàn)證溫度對(duì)傳感器的影響,對(duì)傳感器進(jìn)行了溫度實(shí)驗(yàn),采用如圖9所示的裝置。將傳感器放置在溫控箱(TCB)中,調(diào)節(jié)溫控箱,分別測量45 ℃、46 ℃、47 ℃、48 ℃、49 ℃及其對(duì)應(yīng)光譜并記錄。

圖9 光纖F-P傾角傳感器溫度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 Temperature experiment system of optical fiber F-P inclination sensor

在溫度改變的情況下,對(duì)測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到結(jié)果如圖10、圖11所示。圖10為溫度改變時(shí)的波長漂移圖,由圖10可知,當(dāng)溫度升高時(shí),反射光譜向長波長方向漂移,與理論分析一致；圖11為溫度和反射波長擬合曲線圖,由圖11可知,在溫度改變的情況下,溫度與反射波長呈線性相關(guān)。且溫度靈敏度為4.777 nm/℃,線性度為0.99934。

圖10 溫度改變時(shí)的波長漂移Fig.10 Wavelength drift with temperature change

圖11 溫度和反射波長關(guān)系Fig.11 Relation between temperature and reflected wavelength

綜上所述,光纖F-P傾角傳感器對(duì)角度和溫度較為敏感,具有較高的靈敏度和較好的線性度,可以實(shí)現(xiàn)傾角測量。為了消除溫度交叉敏感,用光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于光纖F-P干涉的傾角傳感器,該傳感器結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定,價(jià)格低廉,具有較高的靈敏度和較好的重復(fù)性。傳感器為“單模光纖-毛細(xì)管-單模光纖”結(jié)構(gòu),當(dāng)外界角度或者溫度發(fā)生變化時(shí),空氣腔長會(huì)發(fā)生改變,從而引起反射光譜發(fā)生變化,引起波長漂移,通過對(duì)波長漂移分析可以得到傾角結(jié)果從而實(shí)現(xiàn)傾角測量。在0°～10°的測量范圍內(nèi),該傳感器傾角靈敏度為0.2031 nm/°,線性度為0.99707；在45～49 ℃溫度變化范圍內(nèi),溫度靈敏度為4.777 nm/℃,線性度為0.99934。綜上所述,光纖F-P傾角傳感器對(duì)傾角和溫度較為敏感,具有良好的傳感特性,對(duì)于傾角測量具有重要意義。