絞合式光纖形變傳感器的研究及其應(yīng)用

梁 建，孫曉紅

(鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南省激光與光電信息技術(shù)重點實驗室，河南鄭州 450052)

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絞合式光纖形變傳感器的研究及其應(yīng)用

梁 建，孫曉紅

(鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南省激光與光電信息技術(shù)重點實驗室，河南鄭州 450052)

研究了絞合式光纖形變傳感器的結(jié)構(gòu)特征、傳感特性和工作機理，并和其他種類的傳感器做了比較，證明了該類型傳感器的優(yōu)越性。運用光纖的微彎損耗理論計算了該傳感器的拉伸長度與光功率損耗的關(guān)系，通過檢測出射光功率可以推斷待測物的物理量變化。利用其特點，文中設(shè)計了一種能對微小形變進行實時監(jiān)測的傳感器，通過實驗觀察了傳感器的輸出量隨著微小形變出現(xiàn)了有規(guī)律的變化。實驗證明該傳感器成功地監(jiān)測了微小形變的變化規(guī)律并且不受其他設(shè)備的干擾和影響。

光纖；傳感器；光功率；形變；損耗；監(jiān)測

0 引言

光纖傳感器相比于其他類型傳感器具有靈敏度高、抗電磁波干擾、體積小、造價低廉以及可進行實時監(jiān)測等優(yōu)點[1]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于光傳感的各個領(lǐng)域。本文介紹了一種新型的絞合式光纖強度調(diào)制形變傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，無需對光纖本身進行復(fù)雜的處理，也不需要額外的形變裝置[2]，并且測量十分方便，可靠性高、實時性好、受外界干擾小，特別適合于一些重要的醫(yī)療設(shè)備中，尤其是對人體呼吸頻率的測量和實時監(jiān)測等方面是十分理想的光纖傳感器。現(xiàn)有的大部分醫(yī)療設(shè)備中，大多數(shù)是電子類傳感器[3]。這類傳感器有其優(yōu)點也有其缺點，尤其是在多設(shè)備同時測量人體參數(shù)的時候，不同設(shè)備之間互相干擾造成測量結(jié)果不精準?；蛘呤窃趶姾舜殴舱駰l件下，由于受強電磁場干擾，電子呼吸監(jiān)測系統(tǒng)不能正常工作[4]。針對這些問題，本文提出了絞合式光纖傳感器，它是一種純光學(xué)傳感器，不受電磁波的影響，能夠替代其他類型傳感器。

1 絞合式光纖形變傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。

絞合式光纖形變強度調(diào)制傳感器是用一根或多根多模光纖相互交叉纏繞在一起[2]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 絞合式光纖結(jié)構(gòu)

圖中的每一個交叉節(jié)點用膠水粘貼在具有松緊性的繃帶上，這樣就可以給整個傳感器固定一個初始狀態(tài)。確定好初始狀態(tài)之后，光纖一端為入射端，另一端為出射端。如果將繃帶橫向拉伸時，光纖的曲率就會發(fā)生變化，由于光纖的曲率發(fā)生變化，光纖的彎曲損耗也隨即發(fā)生變化[5]，并且光纖損耗對光纖彎曲程度很敏感。即使光纖曲率有微小的變化，光在纖芯中傳播的一部分能量就會由于光纖的彎曲損耗而發(fā)生變化[2]。造成微彎光纖中光能的損失的主要原因是纖芯最高階傳導(dǎo)模耦合到包層的輻射模衰減得過快[6]。依據(jù)耦合波的理論，光導(dǎo)纖維受到微彎時纖芯模能量就會和包層模能量相互轉(zhuǎn)化[7]，這樣就可以通過檢測光纖出射端光功率的變化來測得待測參數(shù)的變化，從而實現(xiàn)傳感器的目的[8]。

2 絞合式光纖形變傳感器的微彎損耗理論計算

該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、測量方便、造價低廉、抗電磁干擾能力強[2]，非常適合應(yīng)用于強電磁環(huán)境下測量人體呼吸頻率的醫(yī)療設(shè)備。由于人體每一次呼吸，胸腔都會擴大和收縮，所以用這種光纖傳感器纏繞在人的胸腔上可以精確地測量出人體呼吸的強度和頻率。

在絞合處光纖曲率發(fā)生變化，其彎曲曲率方程為[9]

(1)

式中:ρ為光纖的彎曲曲率；L為每段彎曲周期的光纖長度；d為彎曲周期的每段螺距的長度；R為光纖半徑。

根據(jù)光纖彎曲的幾何關(guān)系可以推算出：

(2)

設(shè)d0為初始螺距，當(dāng)有沿著軸距方向的應(yīng)變ξ施加到光纖傳感器上時，則此時螺距d的長度為

d=d0+ξ

(3)

由光纖的彎曲損耗理論計算可知[2]：

(4)

式中：r為光纖的纖芯半徑；g為光纖的參數(shù)，設(shè)為一常數(shù)；Δ為光纖的相對折射率差值。

由上述式(1)～式(3)可以算出光纖的微彎損耗的大小α與應(yīng)變ξ的對應(yīng)關(guān)系為

(5)

根據(jù)式(4)用MATLAB仿真軟件進行仿真。選取r=62.5 μm,R=125 μm規(guī)格的光纖；設(shè)定螺距為30 mm?？傻霉夤β蕮p耗與光纖傳感器的軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖(2)所示。從圖2可以看到二者有非常好的線性關(guān)系，該模型是比較理想的傳感器模型。

圖2 理論模擬的傳感曲線

3 實驗結(jié)果與分析

該實驗主要是基于絞合式光纖形變傳感器的設(shè)計與實驗測試。該傳感系統(tǒng)主要包括光源設(shè)備、光學(xué)耦合設(shè)備、絞合光纖探針以及光能量指示儀。光源主要是負責(zé)光信號的供給；光學(xué)耦合裝置用于將光源發(fā)出的光信號耦合進入到光纖內(nèi)；在實驗中選用的光能量指示儀為光功率計，用來對光纖出射端的光強強度進行實時監(jiān)測。實驗裝置原理圖如圖3所示。

圖3 實驗裝置原理圖

傳感器是用5根多模光纖絞合而成，設(shè)定螺距d=30 m，將纏繞好的絞合光纖粘貼在具有松緊性的繃帶上?？噹Ч潭ㄔ?個基座上，然后基座又固定在試驗臺上，這樣是為了試驗不受微擾影響。光纖束的兩端分別接LED光源和光功率計[10]。光源是采用直流電源驅(qū)動的可見光LED發(fā)光二極管，用一個不透明的石英管將光源的光耦合到光纖束中；光纖束出射端是通過光功率計探頭連接在一個高靈敏度的光功率計上。通過調(diào)整繃帶的拉伸長度，絞合式光纖束受到的微彎損耗就會發(fā)生變化，光纖束的出射端的光功率就會隨之發(fā)生變化，然后用光功率計測量光纖束的透射光功率。實驗裝置示意圖如圖4所示。

圖4 實驗裝置示意圖

實驗步驟如下：

(1) 打開直流電源、光功率計，等待發(fā)光二極管穩(wěn)定工作(即光功率計讀數(shù)不再變化)。

(2) 待儀器穩(wěn)定工作之后，旋轉(zhuǎn)微調(diào)旋鈕，使繃帶隨之拉伸。每5 mm計1個單位。

(3) 將得出的數(shù)據(jù)通過MATLAB仿真軟件繪制成曲線關(guān)系圖。觀察圖中接近線性部分的曲線，截取線性部分的數(shù)據(jù)。這一部分數(shù)據(jù)就是比較理想的傳感曲線圖。

測得的傳感曲線如圖5所示。從圖5可以看到比較好的線性關(guān)系，傳感器傳感性能比較理想。

圖5 實驗測量的光纖輸出功率隨拉伸長度的變化

上述實驗是為了測得該簡易傳感器的線性部分，得出該傳感器的測量范圍。下面對實驗裝置進行進一步的改裝和應(yīng)用。

該傳感器的主體部分是絞合式光纖束，采用純光路的光纖微彎損耗原理，因而無需擔(dān)心其他電子設(shè)備對其的影響。利用該特點，可以將其運用到很多電子傳感器不適宜運用的場合，例如測量人體呼吸或者脈搏跳動等。因為在很多醫(yī)療設(shè)備中，大多數(shù)傳感器都是電子傳感器，在一些情況下，這些電子傳感器會互相干擾，或者不能同時工作。如果將這種純光路的傳感器運用到這些設(shè)備中，該類型傳感器會有很好的市場前景。

將上述實驗裝置簡單改裝成一個模擬測量人體呼吸的頻率和振幅的模擬裝置。由于測量人體正常呼吸時，胸圍在呼氣和吸氣之間會出現(xiàn)1～3 cm的差距，所以實驗在該傳感器的線性部分做1～3 cm的伸縮變化，并且做實驗時頻率要隨著人體的呼吸頻率。

將光功率計換作一個能顯示波動頻率和振幅的示波器，就組成了這次模擬實驗的實驗裝置，如圖6所示。

圖6 實驗裝置示意圖

實驗步驟如下：

(1) 打開直流電源、光功率計，等待發(fā)光二極管穩(wěn)定工作(即示波器上不出現(xiàn)波動信號時一條直線)。

(2) 隨著人體呼吸的頻率，將實驗裝置中的繃帶拉伸至1～3 cm處。

(3) 觀察示波器上顯示的信號波形圖。

圖7為本次模擬實驗測得的信號圖(即模擬的人體呼吸頻率和振幅)，從圖7可以清晰直觀地看出信號的頻率和振幅。

圖7 示波器顯示圖

本實驗裝置只是一個簡單的實驗用品，還不能實現(xiàn)真實的測量人體呼吸的參數(shù)，如果將其改進優(yōu)化，還需要更進一步的研究。但該實驗已凸顯了絞合式光纖傳感器的優(yōu)越性，比如其是純光路傳感不受電磁場的干擾，造價低廉靈敏度高等。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種絞合式光纖形變傳感器，對其工作機理和傳感特性進行了理論模擬和實驗分析，并對該傳感器的線性部分進行測量。并對其進行改裝模擬了對人體的呼吸頻率、振幅、均勻度的測量，用示波器顯示了測量數(shù)值。由于該類傳感器有其獨特的優(yōu)點，因而其在傳感領(lǐng)域會有廣闊的前景。

[1] 吳杰，薛玲玲.光纖傳感器的研究進展.激光雜志，2007,28(5):4-5.

[2] 楊建良，查開德.一種新穎的強度調(diào)制型絞合式光纖應(yīng)變傳感器.自動化儀表，2003,21(3):19-21.

[3] 孫素梅，陳洪耀，易國盛.光纖傳感器的基本原理及在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2008,25(5):846-850.

[4] 張健.光學(xué)電流互感器的抗磁場干擾技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)研究:[學(xué)位論文].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[5] BHATIA V,MURPHY K A.Recent development in optical-fiber-based extrinsic fabryperot interferometric strain sensing technology.Smart Mater.Struct,1995,24(4):246-251.

[6] 邢雪寧，張治輝，陳婷.光纖的彎曲損耗和微彎損耗及其利用.中國有線電視,2004(23):24-26.

[7] 查國智.絞合式光纖的微彎損耗機制及其應(yīng)用研究.大理學(xué)院學(xué)報，2012(11):35-38.

[8] KNOWLES S F,JONES B E,PURDY S,et al.Multiple microbending optical-fiber sensors for measurement of fuel quantity in aircraft fule tanks.Sensiors and Actuators A,1998,68:320-323.

[9] 楊建良，郭照華，查開德.絞合式光纖應(yīng)變傳感器.力學(xué)學(xué)報,2001(33):284-288.

[10] 孟莉，孫曉紅，李常青.微結(jié)構(gòu)光纖傳感器光纖探針靈敏度的分析:[學(xué)位論文].鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

Research and Application of Twisted Optical Fiber Strain Sensor

LIANG Jian,SUN Xiao-hong

(School of Information Engineering,Zhengzhou University，Henan Key Laboratory of Laser and Opto-Electric Information Technology,Zhengzhou 450052,China)

The structural features,sensor characteristics and working mechanism of a twisted optical fiber strain sensor were studied.By comparing with other types of sensors,superiority of this type of sensor was proved.The correlation between the stretched length and the optical power loss was calculated using the microbending loss in optical fiber.The change of physical properties was inferred by detecting the emitted light power.Considering all these features,we designed a real-time sensor which can monitor the slight deformation.The regular change of the sensor output was observed in the experiment of a slight deformation of the sensor.It proves that the sensor successfully monitors the slight variation and without the interference and influence of other devices.

optical fiber;sensor;optical power;strain;loss;monitor

國家自然科學(xué)基金資助課題(11104251)

2014-03-06 收修改稿日期：2014-11-05

TP212

A

1002-1841(2015)04-0008-03

梁建(1988—)，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感器。E-mail:ljian1536@sina.com 孫曉紅(1971—)，教授，博士，主要研究方向為光纖傳感器。E-mail:iexhsun@zzu.edu.cn