光纖光柵傳感實驗裝置設計與實現(xiàn)

趙同剛， 王 勤， 王凱鵬

(北京郵電大學 電子工程學院， 北京 100876)

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵的中心波長在外界環(huán)境(如應力、溫度等)的影響下會發(fā)生改變的特性而制作出來的一種性能優(yōu)良的敏感器件。相比于傳統(tǒng)的傳感技術，光纖光柵傳感器具有結構輕便、溶解損耗小、抗電磁干擾、使用安全可靠、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優(yōu)點，因此在光纖通信和傳感領域中得到了廣泛的應用[1-2]。

光纖光柵是光纖通信系統(tǒng)、光電檢測技術、光電子器件、傳感技術等相關課程中都要介紹的重要光學器件，但是在實驗配備中，由于光纖光柵易壞、價格相對較貴，所以在本科教學中，相關的配套實驗設備十分少見。本實驗中心針對這種情況，自主研發(fā)了光纖光柵傳感實驗系統(tǒng)，對其一些重要物理參數(shù)(如應變、溫度、壓力)進行了測量，已經(jīng)應用于本科實驗教學環(huán)節(jié)。實踐證明，該實驗系統(tǒng)性價比高，重復性好，教學效果良好[3-4]。

1 光纖光柵理論分析方法

1.1 光纖光柵理論

光纖光柵中，布拉格(Bragg)光柵是一種最常用的光柵。根據(jù)導波光學，在光纖光柵中，一級衍射最重要，當滿足相位匹配條件時，Bragg光柵的基本特征表現(xiàn)為一個反射式光學濾波器，反射峰值波長稱為布拉格波長,也稱中心波長,或諧振波長。布拉格波長λB滿足關系式[5-6]：

λB=2nΛ

(1)

其中，n為光纖的有效折射率,Λ為柵距。

另外，利用光纖光柵模耦合方程，可以得到特定光纖光柵的頻譜響應曲線，從而得到反射系數(shù)和帶寬。

1.2 光纖光柵的傳感特性

光纖光柵中心波長具有對應力和溫度敏感的特性，應力、溫度、濃度等外界環(huán)境變化將引起光纖有效折射率或光柵周期等參數(shù)的變化，從而導致光纖布拉格光柵的中心波長發(fā)生變化。通過監(jiān)測光柵中心波長的變化，就可以得到周圍環(huán)境參量的變化。

1.2.1 中心波長偏移與溫度變化關系

溫度變化導致布拉格中心波長的偏移，實際上是利用光纖光柵折射率對溫度的敏感性和光纖熱脹冷縮的物理特性。當外界溫度變化時，一方面會引起介質的熱脹冷縮，從而導致光纖光柵的柵距變化;另一方面由于熱光效應致使介質折射率變化。因此，溫度變化也會導致光柵中心波長發(fā)生偏移[7-8]。

中心波長偏移隨溫度變化關系通常用經(jīng)驗公示來描述：

(2)

其中，δλB表示溫度起伏造成的中心波長偏移量，α為光纖材料的熱伸展系數(shù)，ΔT為溫度的變化量，n為光纖的有效折射率。

1.2.2 中心波長偏移與應力關系

光柵中心波長偏移量和光纖單位伸長量的關系通常也用如下經(jīng)驗公式描述[9-10]：

(3)

其中，ε表示光纖的軸向伸長量，μ為泊松系數(shù)(橫向變形系數(shù))，Pij為光彈系數(shù)。若施加應變均勻，則(3)可簡化為

(4)

式(4)表明，光纖中心波長的變化與外加力間呈線性關系，作用力和光纖光柵材料等因素將影響波長調(diào)諧范圍。

2 光纖光柵傳感實驗系統(tǒng)的設計與測量

2.1 光纖光柵溫度和應力調(diào)諧的實驗裝置

光纖光柵溫度和應力調(diào)諧的實驗裝置[11-12]分別如圖1和圖2所示。寬帶光源LED發(fā)出的光信號由環(huán)形器的端口1進入，然后由端口2輸出至光纖光柵，由光纖光柵反射后經(jīng)環(huán)形器端口2至端口3最后導入光譜分析儀，待測量量(溫度或應力)施加在以光纖光柵為核心元件的傳感頭上。

圖1 溫度改變實驗裝置圖

圖2 應力改變實驗裝置

當傳感光柵受到外部微擾時，反射光譜的特性就會發(fā)生變化，如峰值位置的移動及光譜形狀的變化等，這樣就能夠利用光譜儀根據(jù)光反射譜特性的變化來獲得光纖傳感光柵上受外部作用的信息，進而達到感知待測物理量的目的。

特別需要指出的是，溫度傳感實驗中，光纖光柵封裝在一個溫度加熱槽中，該槽的溫度可控,從而控制光纖光柵的溫度。原有的應力傳感實驗裝置，經(jīng)常出現(xiàn)學生用力過大而將光柵拉斷，造成無法進行實驗數(shù)據(jù)讀取的現(xiàn)象。為此，我們在實驗裝置的設計過程中，將光柵的一端通過金屬壓片壓緊在一個可沿光纖光柵傳光軸方向移動的一維滑塊上，該滑塊基座上有一個限制滑塊位置的調(diào)整桿，通過限制滑塊的位置，避免因給光纖光柵施加過大拉力時，使光纖光柵斷裂和損壞。滑塊與承重物的托盤用金屬細絲相連，通過滑塊另一側的托盤內(nèi)加放重物來拉動滑塊，滑塊沿傳光軸拉伸光纖光柵，從而給光柵施加軸向拉力。教學實踐證明，設備改進后，光柵的重復使用次數(shù)明顯增多。

該套設備在沒有加溫和加力的情況下，測得的基本數(shù)據(jù):中心波長: 155.26 nm；帶寬：0.1 nm。

2.2 應力傳感實驗

實驗開始，在容器中添加砝碼，每次加25 g，使得光纖布拉格光柵的伸長量發(fā)生變化，從光譜分析儀上可以發(fā)現(xiàn)中心波長發(fā)生了漂移，記錄下每一次的中心波長。逐漸增加砝碼的質量，使光纖布拉格光柵的伸長量增加，中心波長向長波方向移動，當增加到350 g時，停止增加砝碼，因為已經(jīng)臨近應變的最大調(diào)諧值。實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 光纖布拉格光柵應力傳感測量數(shù)據(jù)

繪制的曲線如圖3所示。

圖3 光纖光柵中心波長-光柵的受力關系曲線

擬合表1中的數(shù)據(jù)，得到中心波長λB與砝碼質量m的關系式為

λB=0.0124m+1552.3

可以看出，光纖布拉格光柵的中心波長偏移與其所受的力(此處為重力mg)變化大致呈線形關系，符合δλb=λB(1-Pe)Δε規(guī)律。

2.3 溫度傳感實驗

實驗開始前，讀出室溫下(30 ℃)的初始布拉格波長值為1 552.26 nm。緩慢旋轉調(diào)壓器，設定好溫度控制儀的上下限電壓，為每個溫度值輸出合適的電壓。每隔10 ℃記錄中心波長值，數(shù)據(jù)見表2。

表2 光纖布拉格光柵溫度傳感測量數(shù)據(jù)

由表2中的數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖4所示。

圖4 光纖光柵中心波長-溫度關系曲線

擬合得到中心波長與溫度t的關系式為

λB=0.013 1t+1 551.7

可以看出，光纖布拉格光柵的中心波長偏移與其所受的溫度變化大致呈線形關系，符合線性關系。從圖4可以看出，線性擬合度較好，結論與理論分析完全符合。

3 結論

光纖光柵具有可靠性好、抗干擾性強的優(yōu)點，然而在本科教學中，光纖光柵的相關配套實驗設備十分少見。為此，自主設計和研發(fā)了光纖布拉格光柵傳感實驗裝置，并對其一些重要物理參數(shù)(如應變、溫度)進行了測量。該實驗裝置已經(jīng)應用于本科實驗教學,實驗數(shù)據(jù)表明,該實驗裝置性價比高、重復性好、數(shù)據(jù)準確，教學效果良好。

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