光纖干涉法實(shí)現(xiàn)冰層內(nèi)部壓力測量

楊義,楊玲珍,張麗

(太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,山西太原030024)

光纖干涉法實(shí)現(xiàn)冰層內(nèi)部壓力測量

楊義,楊玲珍,張麗

(太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,山西太原030024)

基于光的相干特性實(shí)現(xiàn)冰內(nèi)部壓力測量的光纖傳感系統(tǒng).系統(tǒng)以He-Ne激光器作為光源,利用光纖耦合器將光路分為兩路,一路用于冰層內(nèi)部壓力測量,另一路作為參考.通過Matlab理論分析了冰層內(nèi)部壓力變化引起干涉條紋隨光纖折射率的變化.通過實(shí)驗(yàn)觀測輸出端干涉條紋的變化,確定冰內(nèi)部壓力的變化情況,以期為寒區(qū)水文測報(bào)、水工設(shè)施的設(shè)計(jì)及冰凌災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域提供新的冰情監(jiān)測技術(shù).

He-Ne激光器;干涉;壓力傳感器;冰情監(jiān)測

冰凍現(xiàn)象是冬季常見的一種自然現(xiàn)象.目前,在我國內(nèi)陸水電資源中,可供開發(fā)的水電大壩選址多位于高海拔的西北、西南高寒地區(qū).這種情況,有一個(gè)亟待解決的問題就是冰凍對水電工程設(shè)備及堤壩的危害.例如,冰在升溫過程中的膨脹力會(huì)使水工結(jié)構(gòu)物,如橋墩、設(shè)備等受到擠壓而損壞;當(dāng)水位變化時(shí),凍結(jié)在建筑物上的冰蓋因水位上升或下降的作用可能對建筑物產(chǎn)生向上或向下的作用力,從而造成建筑物的損壞[1-5].因此,實(shí)現(xiàn)對水電工程中堤壩岸壁等的實(shí)時(shí)分布式檢測,對于科學(xué)設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)、合理利用建筑材料、延長該類工程的使用壽命具有十分重要的意義.而在外界寒冷潮濕等復(fù)雜的環(huán)境條件下,傳統(tǒng)傳感器往往不能滿足需求.光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代后期迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)[6],其基本原理是利用物理或化學(xué)效應(yīng)調(diào)制光纖的傳輸特性,引起光纖中光波的強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等物理量的變化,通過測量這些物理量的變化反映出所測物體物理量變化情況.光纖傳感器具有應(yīng)用范圍廣、靈敏度高、抗電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕、可曲撓、體積小、成本低等許多優(yōu)點(diǎn),因此,光纖傳感器已經(jīng)成為現(xiàn)代傳感器的重要發(fā)展方向之一.其中干涉型光纖傳感器一直是近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)[7-12].本文基于光的干涉方法用于研究冰內(nèi)部壓力的變化.

1 原理

從He-Ne激光器(He-Ne laser)中發(fā)出的波長為632.8 nm的紅光通過1∶1分路器后均分為兩路光線.一路用冰覆蓋,作為測量臂,另一路直接在光纖內(nèi)傳播,作為參考光束.兩束光在光纖輸出端輸出后由屏幕接收(見圖1).由于輸出端兩束光由分光而來,頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定滿足相干條件,因此屏上可以觀察到干涉條紋.用CCD拍攝條紋并經(jīng)過采集卡后可由電腦記錄.當(dāng)覆蓋在測量臂光纖上的冰融化時(shí),冰內(nèi)壓力變化會(huì)引起光纖折射率變化,進(jìn)而使測量臂內(nèi)光的相位變化,此時(shí)可觀察到干涉條紋的移動(dòng),通過干涉條紋變化情況即可測量出壓力變化的大小.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The experimental setup

兩列光波E1和E2在空間某點(diǎn)P處相遇,如圖2所示.

圖2 兩列光波在空間的疊加Fig.2 Two columns of light waves superimposed on space

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于Matlab模擬理論分析折射率變化與干涉條紋變化之間的關(guān)系.模擬時(shí)設(shè)定光的波長λ=632.8nm,光纖折射率n=1.456,折射率n的變化范圍(1.456±0.000 05×k),k=0～15.由模擬結(jié)果可知當(dāng)光纖折射率n增大時(shí),干涉條紋從中心向外冒出;當(dāng)光纖折射率n減小時(shí),干涉條紋向中心收縮.其結(jié)果如圖3所示.

圖3 Matlab模擬干涉條紋變化Fig.3 The Matlab simulation of interference fringes

實(shí)驗(yàn)時(shí)測得輸出端干涉條紋變化情況如圖4所示,橫軸為時(shí)間t,縱軸為干涉條紋變化ΔN,圖中以條紋從中心向外冒出為正,從條紋向中心收縮為負(fù).圖4-a、圖4-b分別為光纖覆冰融化過程和冰完全融化后干涉條紋變化量ΔN與時(shí)間t的對應(yīng)關(guān)系.由圖可知冰融化過程中對光纖的壓力并不是持續(xù)不變的,而是隨機(jī)變化的.通過比較可知,冰在融化過程中對光纖壓力較大,因此條紋變化范圍大,當(dāng)冰完全融化為水后,由于水內(nèi)壓力及環(huán)境影響等因素,條紋近似均勻變化且范圍較小.通過干涉條紋在冰和水內(nèi)不同變化情況可以區(qū)分冰還是水覆蓋光纖,且可根據(jù)(10)式計(jì)算出冰對光纖的壓力.

圖4 實(shí)測干涉條紋變化情況Fig.4 The change of interference fringes through experiment

3 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于干涉法的光纖測冰內(nèi)壓力傳感器,其結(jié)構(gòu)簡單,且成本較低,容易實(shí)現(xiàn).通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)觀察干涉條紋的變化情況可知,冰在融化過程中對光纖所施加的力并不是連續(xù)向同一個(gè)方向變化的,而是隨機(jī)往復(fù)變化.當(dāng)冰完全化為水后,由于水內(nèi)壓力及環(huán)境因素等影響,干涉條紋保持輕微往復(fù)變化,但幅度較小且比較均勻.根據(jù)光纖在不同介質(zhì)(水和冰)中受力不同而產(chǎn)生的不同的干涉現(xiàn)象,此傳感器可以用于冰情監(jiān)測,若結(jié)合GPRS系統(tǒng),可以對環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測.

[1]HUANG Y,SHI Q Z,SONG A.An the study on the effect of thermal expanding force of ice on structures[J].Ship Building of China, 2003,44:423-428.

[2]LUCHG,ZHAOQ,FANSY.Failureofhydraulicstructurebyicepressureandprotectivemeasures[J].WaterResources&Hydropower ofNortheastChina,2007,25(3):51-52.

[3]MA H Y,LI F.A mechanism study on restricting static ice pressure by excavating trench method[J].Cold Regions Science and Technology,2011,66:39-43.

[4]LIUXZ,TANYG,LIHS,et al.Testandfracturetoughnessanalysisforstaticicepressureof reservoir slope[J].Engineering Mechanics, 2013,30(5):112-117.

[5]ZHOU Y,QIN J M,LI G Y,et al.The applied research of static ice pressure based on fiber Bragg grating measuring[J].Mathematics in Practice and Theory,2014,44(10):156-162.

[6]HOUJF,PEIL,LIZX,et al.Developmentandapplicationofopticalfibersensing[J].TechnologyElectro-OpticTechnologyApplication, 2012,27(1):49-53.

[7]LIUSG,LIUQ,LIZR.Tinyvibrationmeasurementbasedonall-fiberself-mixinginterference[J].LaserTechnology,2012,36(1):29-32. [8]LI H H,MA S,XIE F.High-stability and large-displacement measurement system based on multiplexed fiber interferometry[J]. Laser Technology,2012,36(6):738-741.

[9]ZHANG R,JIANG S,YAN Q Z,et al.All-fiber perimeter alarm system based on Mach-Zehnder interference[J].Laser Technology, 2013,37(3):334-337.

[10]YAO Q Q,MENG H Y,WANG W,et al.Simultaneous measurement of refractive index and temperature based on a core-offset Mach-Zehnder interferometer combined with a fiber Bragg grating[J].Sensors and Actuators A:Physical,2014,209:73-77.

[11]YU H Q,XIONG L B,CHEN Z H,et al.Ultra compact and high sensitive refractive index sensor based on Mach-Zehnder interferometer[J].Optics and Lasers in Engineering,2014,56:50-53.

[12]LIZY,WANGYP,LIAOCHR,et al.Temperature-insensitiverefractiveindexsensorbasedonin-fiberMichelsoninterferometer[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2014,199:31-35.

[13]YUAN L B.Effect of temperature and strain on fiber optic refractive index[J].Acta Optica Sinica,1997,17(12):1713-1717.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Measurement of inner ice pressure based on fiber interferometry

YANG Yi,YANG Lingzhen,ZHANG Li
(College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024，China)

Based on the coherence properties of light,the optical fiber sensing system which can detect the inner pressure of ice was described.He-Ne laser was used as the light source,and the light was divided into two parts for measurement and reference respectively.The interference fringes with the change of refractive index have carried numerically using the Matlab.The change of internal pressure with the interference fringes could observe by experiment.A new ice monitoring technology for the scientific investigation on the hydrological telemetry of cold regions,the design of hydraulic facilities and the prevention of ice disaster are provided.

He-Ne laser;interference;presser sensor;ice monitoring

TN248.2;TN247

：A

：1008-7516（2015）05-0048-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.05.011

2015-08-22

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140313023-3)

楊義(1991-),男,河北新樂人,碩士生.主要從事光纖傳感用于冰情檢測方面研究.

楊玲珍(1973-),女,山西臨汾人,博士,教授.主要從事光纖激光技術(shù)與應(yīng)用等方面研究.