非扫描相关解调光纤法布里-珀罗微腔应变传感器 
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1 引言
应变测量在各类工程测量和科学实验中有重要地位,从最早的电阻应变片发展至今,应变测量的传感器种类繁多,性能各异。目前,传统的电子式应变传感器越来越难以满足各种复杂环境中应变测量的需求,光纤式应变传感器由于在抗电磁干扰、抗腐蚀、防爆、耐高温、小型化,以及分布式测量等方面具有天然的优势,受到了学术界与产业界的广泛重视[1-4]。
典型的光纤应变传感器有:光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器、光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)应变传感器和光纤法布里-珀罗(F-P)腔应变传感器。常规FBG应变传感器利用紫外准分子激光器,通过相位掩模技术在光敏光纤上刻写光栅,光纤的固有圆柱结构限制了应变灵敏度的提高,同时,当温度过高(大于350 ℃)时,FBG结构(在光纤纤芯中通过紫外光写入的周期性折射率变化结构)会被完全擦除,这限制了FBG应变传感器在高温条件下的使用[5-7]。传统的Mach-Zehnder应变传感器是在待测环境的影响下,根据传感臂中传输光与参考臂中传输光的相位差引起的干涉条纹的移动量,确定待测环境中物理量的变化,由于该传感器对应变和温度存在交叉敏感问题[8],所以测量误差较大。
光纤F-P腔应变传感器通过在光纤光路中引入F-P腔,借助F-P腔的干涉效应实现应变传感,这种传感器可以承受较高的温度,制作简单,成本低,并且应变温度交叉敏感性远低于FBG应变传感器和Mach-Zehnder应变传感器[9-10]。Villatoro等[11]通过电弧放电方法在标准单模光纤(SMF)和光子晶体光纤之间产生了一个直径为20~58 μm的球形微腔,该结构的应变灵敏度最高为2.7 pm/μ
虽然研究人员已提出多种光纤F-P腔应变传感器的结构以及相应的制作方法,然而现有的光纤F-P腔应变传感器灵敏度通常只能达到pm/μ
本文利用单模光纤和空芯熔石英光纤制备了一种光纤F-P微腔应变传感器,利用厘米量级长度的空芯熔石英光纤增加了应变-腔长灵敏度,并根据其腔长变化范围特点,采用非扫描相关解调技术解算腔长[22],实现了一种易于制造的高灵敏度的光纤F-P微腔应变传感器。
2 光纤F-P微腔应变传感器的结构与制作
本文使用的增敏型光纤F-P微腔应变传感器,采用空芯熔石英光纤内置单模光纤的结构,是一种典型的非本征型光纤F-P传感器,如
光纤F-P微腔应变传感器制作步骤如下:1)去除两段单模光纤端面处一定长度的涂覆层,用光纤切割刀切割端面,并对其进行抛光处理,以保证两个光纤端面的绝对平整;2)在显微镜下检测,利用5维调节架将两段单模光纤穿入几厘米长的空芯熔石英光纤,并调整两光纤端面的间距使其达到预定长度(几十微米);3)在两段单模光纤尾部使用紫外固化胶将其与空芯熔石英光纤黏结固定。
图 1. 光纤F-P微腔应变传感器的结构。(a)示意图;(b)实物图
Fig. 1. Structure of fiber-optic F-P microcavity strain sensor. (a) Diagram of sensor; (b) fabricated sensor
3 应变测量原理与解调
将光纤F-P微腔应变传感器固定于待测物体表面,或直接嵌入至待测物体内部,传感器将随物体表面或内部结构一起发生应变。假定空芯熔石英光纤有效工作长度为
通过测量F-P微腔腔长变化量Δ
虽然F-P微腔腔长只有微米量级,但空芯熔石英光纤长度为数厘米,因此在外部应变作用下,整个空芯熔石英光纤的长度变化都会直接转化为F-P微腔的长度变化,从而可以对相同应变条件下的腔长变化产生增敏效果,使得腔长-应变灵敏度得到显著提升。
显然,这种应变传感器的关键是准确测量F-P微腔的腔长变化量Δ
所采用解调实验装置如
图 2. 光纤F-P微腔应变传感系统示意图
Fig. 2. Diagram of fiber-optic F-P microcavity strain sensing system
非扫描相关探测系统由光纤准直器、鲍威尔棱镜、空气楔和线阵CCD构成。光纤准直器将光纤中出射的发散光转换为准直光束输出,再经鲍威尔棱镜将其转换为线状光照射到空气楔,空气楔内部上下表面镀有半透半反膜,光在其上下表面发生多光束干涉,实现互相关运算,最终透射光照射到线阵CCD上。线阵CCD采集相关信号的光强信息将光信号转换成电信号。
根据相关解调的原理[23-24],可以得到,CCD光敏面探测到的光强相关干涉信号的光强表达式为
式中:
式中:
(2)式所给出的相关干涉信号为一个存在极大值的振荡信号,其极大值出现在光楔厚度与F-P微腔长度相互一致的位置。利用线阵CCD所探测信号的最大值,可以实现光纤F-P微腔腔长的绝对测量,从而由(1)式实现应变测量。
4 实验与分析
光纤F-P微腔应变传感系统主要由SLED宽带光源、2×1光纤耦合器、空芯熔石英光纤内置单模光纤制作而成的光纤F-P微腔传感器(其中,单模光纤为美国康宁生产,型号G652D,纤芯9 μm,除去涂覆层后外径为125 μm;空芯光纤使用的是四川领航光瑞科技有限公司的LHKX128型号空芯光纤,该空芯光纤内径为128 μm,外径为320 μm)以及由准直器、光楔和光电耦合器形成的非扫描相关探测系统构成。
通过非扫描式相关解调系统采集光纤F-P微腔传感器处于初始状态时空气腔的相关干涉信号,该信号的最小值对应像素点处的光楔厚度与光纤F-P微腔传感器的腔长值一致。由于直接从CCD采集的相关干涉信号含有光源光强分布和电路高频噪声,所以首先要对CCD的输出信号进行滤波处理,得到滤波后的相关干涉信号,再拟合出信号的包络曲线,最后使用重心法精确地定位信号的峰值位置,如
为了分析应变对相关干涉信号(即腔长)的影响,通过实验得到了三种不同应变0,2000,3000 μ
5 结论
提出了一种非本征型光纤F-P微腔应变传感器,该光纤F-P传感器由两段单模熔石英光纤穿入一段空芯熔石英光纤中构成,单模光纤通过紫外固化胶固定于空芯熔石英光纤两端,通过较长空芯熔石英光纤对应变的响应,实现了光纤F-P微腔腔长-应变灵敏度的增敏效果,并根据其变化范围采用非扫描相关解调技术进行解调。实验结果表明,对于初始腔长为30.129 μm,空芯熔石英光纤长度为40 mm的光纤F-P微腔应变传感器,腔长-应变变化灵敏度达到了14.08 nm/μ
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寇琬莹, 王伟, 陈海滨, 张天阳, 吕文涛. 非扫描相关解调光纤法布里-珀罗微腔应变传感器[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(17): 170630. Wanying Kou, Wei Wang, Haibin Chen, Tianyang Zhang, Wentao Lü. Non-Scanning Correlation Demodulation for Fiber-Optic Fabry-Perot Microcavity Strain Sensor[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(17): 170630.
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