DBR光纖激光器壓力傳感系統(tǒng)的研制

馮志慶，趙 建

(大連民族學(xué)院物理與材料工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

光纖激光器傳感是光纖傳感中新發(fā)展起來的傳感技術(shù)，因其具有傳感結(jié)構(gòu)緊湊、自帶參考、便于復(fù)用、信噪比高、解調(diào)成本低等優(yōu)勢，成為繼無源光纖光柵傳感之后新的研究熱點(diǎn)［1－4］。

光纖激光傳感器按工作原理可以分為波長解碼傳感器和偏振極化傳感器。前一種是把被測物理量轉(zhuǎn)變成光纖激光器的工作波長變化，工作原理和光纖光柵傳感器相似。正交偏振傳感型則需要光纖激光器工作在兩個正交的偏振模式(正交偏振雙頻DBR光纖激光器)中，把被測物理量轉(zhuǎn)變成激光輸出拍頻頻率的變化，通過解調(diào)拍頻信息獲取被測物理量信息。由于該拍頻頻率一般位于幾個G以下的射頻波段，通過電子學(xué)手段就可完成數(shù)據(jù)的解調(diào)，因此解調(diào)系統(tǒng)簡單，成本也很低，不需要干涉參考光路、波長計等復(fù)雜的解調(diào)單元。

DBR光纖激光傳感器已經(jīng)應(yīng)用于包括溫度、壓力、壓強(qiáng)、超聲等眾多物理量的測量。在壓力測量方面的工作主要集中在側(cè)向壓力傳感的研究上，如Kringlebotn等人研究了基于分布式反饋(DFB)光纖激光器在側(cè)壓傳感方面的應(yīng)用。與DFB光纖激光器相比，DBR光纖激光傳感器具有以下的優(yōu)點(diǎn):(1)激光器尺寸可以做的更小。目前短腔長DBR光纖激光器有效長度可以做成2 cm左右，而DFB一般工作區(qū)長度需要5 cm左右。(2)激光輸出能量更高。一般DFB激光器輸出功率為幾個mW，而DBR激光器達(dá)到200 mW以上的功率輸出已有報道，因而更適合遠(yuǎn)距離傳感。(3)易于控制，更適合惡劣環(huán)境的傳感。

本文自行研制的短腔長DBR光纖激光器，對側(cè)向壓力具有很高的靈敏度，可以應(yīng)用于位移、加速度、振動、壓強(qiáng)等物理量的傳感測量［7－10］。

1 壓力傳感系統(tǒng)組成

正交偏振雙頻DBR光纖激光器在外界側(cè)向壓力驅(qū)動下，產(chǎn)生雙折射，引起兩個偏振方向上的激光頻率發(fā)生不同的變化，通過偏振器和快速光電二極管產(chǎn)生射頻波段拍頻電信號。在所測量區(qū)間內(nèi)，激光腔所受壓力與拍頻頻移量為線性，可以表示為［5］

式中，l為激光腔受力部分的長度，Leff為激光器腔長，c為光速，n為光纖平均折射率，p11，p12為光纖材料的彈光系數(shù)，νp為光纖的泊松比，θ為力的方向和光纖偏振軸的夾角，E為光纖楊氏模量，r為光纖半徑。

為了保證外部壓力均勻施加到光纖激光器諧振腔上，傳感探頭采用3根光纖等間隔平行放置，中間為傳感光纖，兩側(cè)光纖與激光器光纖相同。與單光纖相比，靈敏度下降為單芯的1/3，但穩(wěn)定性得到提高。傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 壓力傳感測量裝置框圖

該傳感器利用193 nm ArF準(zhǔn)分子紫外激光器，在Er/Yb共摻雜光纖上寫制一對匹配光纖光柵，從而形成激光器。

信號解調(diào)系統(tǒng)采用混頻降頻處理方法，壓力產(chǎn)生的拍頻頻率最大偏移量一般在400 M左右，光電二極管輸出信號一般處于1.5 GHz以下，通過混頻器將本地RF頻率合成器輸出的RF信號和激光器拍頻信號混頻，將拍頻信號變頻到500 M以下，利用定時計數(shù)手段獲取調(diào)頻信息。由于降頻后的信號仍具有較高頻率，故電路計數(shù)器部分采用ECL電路實(shí)現(xiàn)550 M高頻計數(shù)。定時部分利用一個10 M振蕩頻率的高精度溫度補(bǔ)償晶振分頻實(shí)現(xiàn)，該晶振同時用作RF合成器的頻率基準(zhǔn)。定時間隔通過CPU程控可調(diào)。解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖2。

圖2 解調(diào)系統(tǒng)電路原理圖

降頻后的信號經(jīng)過IF濾波器和放大器后信號幅值處于100～200 mV，經(jīng)過一高速ECL比較器變?yōu)镋CL電平方波脈沖，進(jìn)入由3片6Bit ECL高速計數(shù)芯片組成的計數(shù)器，通過ECL－TTL轉(zhuǎn)換芯片組成18 Bit TTL電平數(shù)據(jù)送入CPU(高速8051)，通過不同定時間隔的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)不同時間分辨率和幅度分辨率的測量。在理論上，時間分辨率越高，幅度分辨率越低，若壓力變化為緩時變過程，可以降低采樣速率，增加幅度分辨率。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線為16Bit，故計數(shù)數(shù)據(jù)高2位未使用，實(shí)際的計數(shù)器為16Bit，在500 M頻偏條件下，為防止計數(shù)器飽和，采樣率要求超過800 Hz。

2 實(shí)驗(yàn)

激光器由6.5 mm的低反光柵、7 mm的高反光柵以及10 mm的激光腔構(gòu)成，靜態(tài)無負(fù)載時產(chǎn)生的拍頻大小為965 MHz。

整個裝置置于防震光學(xué)平臺上。在施壓表面上放置不同質(zhì)量的砝碼，通過頻率計數(shù)解調(diào)系統(tǒng)獲取頻偏數(shù)據(jù)，砝碼由0 g加到50 g，獲得的拍頻頻率偏移從22 M到460 M。

測試結(jié)果表明，壓力載荷和頻移關(guān)系為線性，與理論吻合。在0～1.5 N測量范圍內(nèi)，該傳感器的靈敏度為 400 MHz·N－1，線性度達(dá)到了99.9%。不考慮光纖激光器頻率噪聲，解調(diào)電路計數(shù)精度是影響系統(tǒng)最小分辨率的主要因素，在1 k采樣率時，計數(shù)不確定度為2 kHz，對應(yīng)的最小分辨率為5 uN。測試結(jié)果如圖3。

圖3 頻移和負(fù)載關(guān)系

受制于振動平臺性能，對傳感器振動傳感能力僅進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。將傳感器放置于振動平臺上，觀測采集到的振動波形。在400 Hz振動頻率下解調(diào)給出的波形如圖4。

圖4 400Hz正弦振動信號解調(diào)波形

3 結(jié)論

本文設(shè)計了DBR光纖激光器壓力傳感器以及電子學(xué)解調(diào)單元，在0～1.5N的壓力范圍內(nèi)，線性度達(dá)到99.9%，靈敏度為400 MHz·N－1，電子學(xué)解調(diào)最小分辨率在1 k采樣速率下為5 uN。整個測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，解調(diào)單元均為電子學(xué)器件，成本低，性能穩(wěn)定，達(dá)到了實(shí)用化條件。這種電子學(xué)解調(diào)單元可以在單CPU控制下多道并行等周期計數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器陣列解調(diào)，對DBR光纖激光器傳感復(fù)用提供解調(diào)支持。

［1］肖浩，李芳，王永杰，等.高分辨率光纖激光傳感系統(tǒng)［J］.中國激光，2008，35(1):87 －91.

［2］KIM H K，KIM S K，PARK H G，et al.Polarimetric fiber laser sensors［J］.Opt.Lett.，1993，18(4):317 －319.

［3］LEE M L，PARK J S，LEE W J，et al.A polarimetric current sensor using anorthogonally polarized dual－frequency fibre laser［J］.Meas.Sci.Technol，1998，9(6):952－959.

［4］邵理陽.光纖光柵器件及傳感應(yīng)用研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2008.

［5］傅海威，喬學(xué)光，賈振安，等.高靈敏度的光纖光柵壓強(qiáng)傳感器［J］.光學(xué)學(xué)報，2004，24(2):187 －189.

［6］胡曙陽，何士雅，趙啟大，等.一種新穎的高靈敏度光纖光柵壓力傳感器［J］.光電子·激光，2004，15(4):410－412.

［7］ ZHANG Y，GUAN B O.High sensitivity distributed Bragg reflector fiber laser displacement sensor［J］.IEEE Photon.Technol.Lett.，2009，21(5):280 －282.

［8］ZHANG Y，GUAN B O，TAM H Y.Characteristics of the distributed Bragg reflector fiber laser sensor for lateral force measurement［J］.Opt.Comm.，2008，281:4619－4622.

［9］GUAN B O，ZHANG Y，WANG H J，et al.High － temperature－resistant distributed Bragg reflector fiber laser written in Er/Yb co － doped fiber［J］.Opt.Express，2008，16(5):2958－2964.

［10］劉欽朋，喬學(xué)光，賈振安，等.一種新穎的高壓光纖布拉格光柵傳感器［J］.光電子·激光，2007，18(11):1293－1295.

(責(zé)任編輯 鄒永紅)