TFBG的Fabry-Perot干涉型縱向微位移傳感研究

劉衛(wèi)東,王友清,路艷芳,金尚忠,沈常宇

(1.河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院,河北 石家莊 050051;2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

TFBG的Fabry-Perot干涉型縱向微位移傳感研究

劉衛(wèi)東1,王友清2,路艷芳2,金尚忠2,沈常宇2

(1.河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院,河北 石家莊 050051;2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

提出了一種利用光纖Fabry-Perot(F-P)干涉結(jié)構(gòu)的微位移傳感器,該F-P干涉結(jié)構(gòu)是由雙傾斜光纖光柵(tilted fiber Bragg grating, TFBG)沿軸向錯(cuò)開一定距離構(gòu)成空氣腔形成的.入射光經(jīng)雙TFBG及其高反射端面往返傳播,從而構(gòu)成F-P干涉結(jié)構(gòu).光纖沿縱(z軸)向移動(dòng)時(shí),F-P腔的腔長(zhǎng)發(fā)生變化,致使干涉光譜的自由光譜范圍隨之產(chǎn)生變化.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該傳感器在0～115 μm的測(cè)量范圍內(nèi)獲得了高達(dá)0.475 nm/μm的靈敏度,較之前提出的光纖光柵型傳感器靈敏度提高了近3倍.

光纖傳感器;傾斜光纖光柵;微位移測(cè)量;Fabry-Perot干涉儀

自從20世紀(jì)末光纖光柵產(chǎn)生,作為一種光無(wú)源器件,它受到廣泛的關(guān)注.傾斜光纖光柵傳感器(TFBG)作為光纖光柵中的一種,它的光纖傳感領(lǐng)域呈現(xiàn)出驚人的潛在價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1-6],因此受到了各國(guó)研究人員的青睞.光纖傳感器因?yàn)榫哂械蛽p耗、高精度、抗電磁干擾和電絕緣性等特點(diǎn)而使其可以適應(yīng)易燃易爆等惡劣環(huán)境，因而在傳感領(lǐng)域得到應(yīng)用.然而,TFBG作為光纖光柵的一種,除了FBG的特點(diǎn)還具有與生俱來(lái)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn).TFBG是的一種光柵條紋平面是傾斜的,與光纖軸向之間存在一定的角度.當(dāng)光在纖芯向前傳播遇到TFBG時(shí),光纖中向后傳播的模式主要有兩種,一種是向后的纖芯模式(和FBG的特性相同);還有一種是向后傳播的包層模式(類似LPG的特性).TFBG不僅具有普通FBG的特性(纖芯導(dǎo)模間的耦合),還具有同長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)相似的特性(纖芯導(dǎo)模與包層模之間的耦合).因此,TFBG同時(shí)兼有FBG和LPG兩種光纖光柵的優(yōu)點(diǎn),并且凡是LPG適合的傳感功能,TFBG都適合.故而,在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用范圍比FBG或者LPG更廣闊.

隨著對(duì)光纖傳感器研究的不斷擴(kuò)展,光纖位移傳感器也得到了廣泛的關(guān)注.目前的光纖位移傳感器較多為反射式光纖位移傳感器[7-8],其原理為光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖射向被測(cè)物體的表面發(fā)生反射,通過(guò)接收反射光并測(cè)量,得到被測(cè)位移量.不過(guò),這種測(cè)量的位移范圍小且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[9].由于TFBG能夠測(cè)量應(yīng)變參量,因而對(duì)位移的監(jiān)測(cè)也在其范疇之內(nèi).并且它兼有FBG和LPG的特點(diǎn),比反射式位移傳感具有精度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn).Guo T[6]提出了一種不均勻的TFBG微位移傳感器,利用該TFBG透射光譜中g(shù)host mode功率對(duì)外界的位移參量變化非常敏感:壓縮方面的靈敏度為8.2 μW·mm-1;延伸方面的靈敏度為8 μW·mm-1.這是FBG的靈敏度0.65 μW·mm-1的12倍.同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度具有免疫的效果,在0～90 ℃范圍內(nèi)幾乎不受溫度改變的影響.這在實(shí)際應(yīng)用上解決了監(jiān)測(cè)時(shí)與溫度交叉敏感這一難題.不過(guò)該傳感器采用強(qiáng)度解調(diào),其靈敏度極易受光源功率擾動(dòng)的影響,且存在靈敏度不高等問(wèn)題.由于空氣腔形成的F-P干涉結(jié)構(gòu)對(duì)微位移很敏感,所以目前也有F-P干涉型位移傳感.Qi[10]報(bào)道的單模空氣腔和LPG空氣腔構(gòu)成的傳感器的靈敏度分別為0.127 nm/μm和0.216 nm/μm,本文中的靈敏度是它的3倍左右,且精度也有大幅度提高.本文報(bào)道了一種雙TFBG構(gòu)成空氣腔的內(nèi)嵌式光纖F-P干涉型位移傳感器,利用TFBG的高反射端面構(gòu)成空氣F-P腔,監(jiān)測(cè)光纖沿縱(z軸)向移動(dòng)時(shí)干涉光譜的自由光譜范圍隨微位移的變化.本傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高等特點(diǎn),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該位移傳感結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).

1 傳感原理

圖1所示為TFBG(布拉格中心波長(zhǎng):1 610 nm,柵區(qū)長(zhǎng)度:10 mm,傾斜角度:10°.)的結(jié)構(gòu)示意圖.TFBG是FBG的一種特殊形式,由于TFBG的光柵條紋與光纖軸向存在一定傾角θ,使得傳輸光的耦合發(fā)生改變,其相位匹配條件可表示為[11]:

λBragg=2neff,core*Λ/cosθ;

(1)

(2)

Λ=ΛTcosθ.

(3)

圖1 TFBG結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic configuration of TFBG

當(dāng)一束入射光由左向右入射達(dá)到TFBG時(shí),光纖中主要具有兩種模式,一種是滿足Bragg匹配條件的向后傳輸?shù)睦w芯模式(和FBG的特性相同),還有一種是滿足第i階包層匹配條件的向后傳播的包層模式.影響TFBG包層模式的因素有很多.如光應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、壓力、振動(dòng)、磁場(chǎng)、電流和環(huán)境折射率等.所以，當(dāng)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、壓力、振動(dòng)、磁場(chǎng)、電流和環(huán)境折射率等多種參量發(fā)生改變時(shí),通過(guò)檢測(cè)/監(jiān)測(cè)TFBG的反射和透射譜,可以得到被測(cè)物理量的改變量,從而達(dá)到傳感測(cè)量的目的.

TFBG的F-P干涉儀光路圖如圖2,兩個(gè)TFBG及其兩端面形成的空氣腔可以被看作是一個(gè)非本征的F-P腔(兩段TFBG反射率很高,帶寬很窄).根據(jù)公式推導(dǎo),諧振波長(zhǎng)λ可以表示為

λ=2(ngapLgap+neffLeff1+neffLeff2)/M.

(4)

其中:ngap—空氣腔的有效折射率,約為1;Lgap—空氣腔的有效長(zhǎng)度;neff—光纖纖芯的有效折射率;Leff1,Leff2—兩段TFBG的長(zhǎng)度,實(shí)驗(yàn)中均為5 mm.其透射譜的自由光譜范圍(free spectral range, FSR)可表示為

FSR=Δλ=λ2/2n(Lgap+Leff1+Leff2).

(5)

由式(5)可知,因Leff1和Leff2均為定值,實(shí)驗(yàn)中均為5 mm.并且,透射譜的FSR與腔長(zhǎng)成反比關(guān)系,隨著端面之間距離增大,FSR減小.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

溫度變化會(huì)使干涉光譜發(fā)生波長(zhǎng)漂移,實(shí)驗(yàn)均是在恒溫的環(huán)境中完成的以避免溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的

圖2 干涉儀部分的光路圖Figure 2 Diagram of the interferometer

影響.圖3為所設(shè)計(jì)的基于雙TFBG的Fabry-Perot干涉型微位移傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置圖.由圖中插圖所示,干涉儀部分由兩個(gè)TFBG夾一個(gè)空氣間隙構(gòu)成,并被置于一個(gè)內(nèi)外直徑、長(zhǎng)度分別為127 μm、300 μm和3 cm的光纖束管中用于準(zhǔn)直兩個(gè)TFBG端面,同時(shí)束管能夠保護(hù)干涉儀部分免受外部損壞和一定的干擾.其中,一段TFBG被膠固定在束管內(nèi),束管被固定在微位移平臺(tái)一端;另一段TFBG能夠在束管內(nèi)沿管壁自由移動(dòng),并被固定在微位移平臺(tái)另一端隨平臺(tái)一起移動(dòng).兩段TFBG的端面在束管內(nèi)可形成一個(gè)空氣腔.

圖3 基于雙TFBG的Fabry-Perot干涉型縱向位移傳感器裝置圖Figure 3 Longitudinal displacement fiber sensor based on the Fabry-Perot interferometer with double TFBGs

實(shí)驗(yàn)時(shí),首先調(diào)節(jié)微位移平臺(tái)使兩TFBG端面靠近,但不要貼在一起以免損壞光柵端面.記錄初始的透射光譜.然后調(diào)節(jié)微位移平臺(tái)使右側(cè)TFBG與左側(cè)TFBG端面逐漸分離,并且每移動(dòng)1 μm進(jìn)行一次光譜記錄.微位移從0 μm增大到115 μm時(shí),干涉光譜如圖4.

圖4 不同位移下的干涉譜線Figure 4 Transmission spectra against different displacements

從圖4中可以看出,干涉圖樣為TFBG的纖芯光與包層反射光以及端面反射相干形成,隨著位移的增加,兩TFBG端面形成的空氣腔長(zhǎng)度隨之增大,由式(5)可知,干涉儀的透射譜自由光譜范圍逐漸減小,與理論吻合.從圖4中還可看出,隨著位移的增大,干涉條紋對(duì)比度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

圖5為微位移從0 μm增大到1 200 μm時(shí),所測(cè)的干涉光譜的自由光譜范圍隨位移變化的關(guān)系.擬合曲線方程為

FSR=[1 529.268/(Lgap+13.318)]+0.24.

(6)

與式(5)非常匹配,只多一個(gè)常數(shù)項(xiàng)0.24,其可能的原因是:在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中,TFBG端面未完全切割平滑,存在缺陷,初始的TFBG端面并不完全緊貼,形成了一個(gè)初始的空氣腔,致使初始干涉條紋的FSR為一個(gè)不為零的常數(shù).

圖5 位移從0增大到1 200 μm時(shí)FSR隨位移變化曲線Figure 5 Changing curves of the FSR with the displacement ranging from 0 to 1 200 μm

為便于實(shí)際應(yīng)用,我們往往需要得到一個(gè)線性的變化關(guān)系,并且對(duì)于高精度的微位移傳感器,其量程也不需要達(dá)到1 200 μm這么大.對(duì)此我們將圖5中微位移下降迅速的0～115 μm部分的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,得到如圖6所示的FSR隨位移變化的關(guān)系圖.

圖6 FSR隨位移變化(0～115 μm)關(guān)系Figure 6 Relation between the FSR and the displacement ranging from 0 to 115 μm

由圖6可知,位移在0～115 μm變化范圍內(nèi)時(shí),該傳感器的靈敏度0.475 nm/μm,線性度為R2=0.997.在相對(duì)大的量程范圍下其靈敏度與目前已提出的傳感器相比，有顯著提高.表1列舉了幾種光纖光柵位移傳感器的性能值,可見,TFBG型的光纖光柵位移傳感器靈敏度很高,更適合微小位移的測(cè)量.

表1 幾種光纖光柵位移傳感器的性能值

Table 1 Characteristics of various displacement fiber sensors applying fiber Bragg grating

類型靈敏度/(nm·μm-1)量程/μm精度(0．01nm光譜儀)/μm彎曲FBG[12]6．234×10-40～600016懸臂梁粘貼FBG[13]3．6×10-40～2200027壓縮TFBG[14]1．21×10-40～110082彎曲LPG[15]0．0230～2400．433單模光纖空氣腔[10]0．1270～1550．078LPG空氣腔[10]0．2160～1400．042本文0．4750～1150．021

3 結(jié) 語(yǔ)

構(gòu)建了一個(gè)雙TFBG空氣腔的光纖Fabry-Perot干涉儀并測(cè)量了其微位移傳感特性.文中詳述其制作方法和傳感原理,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其與理論分析的一致性.通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉條紋的自由光譜范圍隨空氣腔長(zhǎng)度的變化信息,可以測(cè)量光纖縱向的微位移.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,軸向位移在0～115 μm范圍內(nèi)變化時(shí),該傳感器的靈敏度可以達(dá)到0.475 nm/μm,較之前相似的光柵型傳感器靈敏度提高了近3倍.

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Micro-displacement measurement based on Fabry-Perot interferometer by using tilted fiber Bragg grating

LIU Weidong1, WANG Youqing2, LU Yanfang2, JIN Shangzhong2, SHEN Changyu2

(1. Measurement Supervision and Testing Institute of Hebei Province, Shijiazhuang 050051, China;2. College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A compact micro-displacement Fabry-Perot (F-P) sensor by the wavelength demodulation method was proposed, which was based on two tilted fiber Bragg gratings (TFBG) with an air cavity.The F-P interference was formed as the incident light transmitted through the dual TFBGs and its high reflective surface. The length of the air-cavity of the proposed F-P interferometer would change by moving one of the TFBGs along the axial direction, which would lead to changes of the wavelength spacing between two interferences spectral (free spectral range, FSR). Experimental results showed that the sensitivity of the sensor within the measurement range of 0 to 115 μm was about 0.475 nm/μm, which was nearly 3 times higher than that of the current paper reported.

optical fiber sensor; TFBG; micro-displacement measurement; Fabry-Perot interferometer

1004-1540(2015)03-0300-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.03.010

2015-04-12 《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

劉衛(wèi)東(1957- )，男，湖北省恩施人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)量技術(shù).E-mail:hbjl_lwd@163.com 通訊聯(lián)系人：沈常宇，男，教授.E-mail：shenchangyu@cjlu.edu.cn

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