基于PMF-Sagnac環(huán)結構的光纖壓力傳感特性研究*

侯美江, 田 晶, 左一武

(貴州大學 物理學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

光纖傳感因具有體積小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)電類傳感器并應用到現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)測中[1,2]，其種類繁多、應用廣泛、結構多樣。近年來，壓力的實時測量在橋梁監(jiān)測[3]、人體血壓監(jiān)測以及油井壓力監(jiān)測等工程應用中[4,5]，顯得極為重要，受到越來越多學者的關注。隨著時代的發(fā)展，用光纖作為傳感單元的壓力傳感研究也越來越多，如文獻[6]介紹了一種用于油井的光纖法布里珀羅(Fabry-Pérot)腔高壓傳感器，其傳感壓力可高達82 MPa，靈敏度為241 nm/MPa，可重復性為0.05 %，分辨率為0.000 4 MPa，溫度范圍可從室溫到175 ℃；文獻[7]介紹了一種用于井下壓力和分布溫度測量的混合光纖傳感系統(tǒng)；文獻[8]構造了一個光纖壓力傳感器用于檢測靜脈曲張壓力，該光纖壓力傳感器可有效預測靜脈曲張破裂出血的風險；文獻[9]根據(jù)光纖布拉格(Bragg)光柵的原理，設計了一種新型的用于測量變壓器繞組軸向力的光纖壓力傳感器，且該傳感器能滿足變壓器繞組軸向力實時監(jiān)測的要求；文獻[10]設計了一種基于特殊設計的中空偏心雙芯光纖的光纖內(nèi)集成高靈敏度氣壓傳感器，該傳感器通過特殊設計的光纖實現(xiàn)了光纖內(nèi)氣壓檢測，該光纖尺寸緊湊，在實際應用中可以輕松連接和集成。以上光纖傳感相關解調(diào)技術也越來越成熟，其中以相位解調(diào)[11,12]、頻率解調(diào)[13,14]以及波長解調(diào)[15,16]幾種解調(diào)方法最為典型。

本文主要利用了基于Sagnac干涉型相位解調(diào)技術將光纖傳感器中攜帶在傳感信號里的相位信息有效恢復，此解調(diào)方法靈敏度較高，可探測外界環(huán)境的微小變化。該系統(tǒng)傳感頭采用了熊貓保偏光纖同時作為濾波器和傳感頭，主要利用其雙折射對外界環(huán)境敏感特性且可進行窄帶濾波的特性，結合Sagnac環(huán)結構搭建了干涉型壓力傳感系統(tǒng)。實驗所搭建的傳感系統(tǒng)結構簡單，成本低，易操作，為壓力傳感的工程化應用提供了參考。

1 傳感原理與系統(tǒng)結構

圖1為光纖壓力傳感原理圖，寬帶光源(broadband light source，BBS)、光譜儀(optical spectrum analyzer，OSA)以及分光比為50∶50的2×2耦合器與熊貓型保偏光纖(panda type polarization-maintaining fiber，PMF)構成。在Sagnac環(huán)結構中插入兩個偏振控制器(polarization controller,PC)PC1,PC2用于調(diào)節(jié)光的偏振態(tài)。

圖1 光纖壓力傳感原理

本實驗系統(tǒng)中，光源由寬帶光源提供，寬帶光經(jīng)光纖傳輸進入耦合器與保偏光纖形成的Sagnac環(huán)中，在環(huán)路中產(chǎn)生干涉，干涉光光譜可在光譜儀上進行觀察，保偏光纖同時作為濾波器和傳感頭。在傳感系統(tǒng)中光纖Sagnac回路作為傳感頭包括PMF和3dB耦合器，經(jīng)PMF濾波后輸入光波被該耦合器分成兩個子光束，子光束通過PMF并在3dB耦合器處相遇，相位差由于PMF的雙折射即可得到。

δ0為干涉光的加壓前的相位，可表示為

(1)

光纖忽略Sagnac環(huán)的損耗，光經(jīng)過環(huán)干涉后的透射譜是一個周期函數(shù)，施加壓力前，周期函數(shù)可表示為

(2)

式中B為光纖的雙折射率，L為環(huán)的周長，λ為入射光的波長。當對環(huán)中保偏光纖部分施加橫向壓力，由于壓力導致環(huán)路內(nèi)PMF的雙折射產(chǎn)生了變化從而導致了相位的變化，設保偏光纖有效受壓長度為L1，則其相位變化量可表示為

(3)

為方便測試，在該實驗中傳感頭由保偏光纖卷成小圓環(huán)，對該傳感頭進行施加壓力，壓強就加載在傳感系統(tǒng)中。式(3)中，ΔB為隨壓強變化的雙折射率，則ΔB隨壓強變化可表示為

(4)

將式(4)代入式(3)，有

(5)

(6)

用X表示透射譜相鄰兩波谷之間的波長間隔大小(自由光譜范圍)，有

(7)

式中B0為保偏光纖的初始雙折射度，由上式可看出X與L1成反比關系，L1越長，X越小。

波長變化量Δλ隨壓力變化量的ΔF關系經(jīng)以上關系推導可表示為

(8)

2 實驗結果與分析

為研究不同長度傳感頭的壓力傳感特性，實驗選用長度分別為1m和2m的保偏光纖為該壓力傳感系統(tǒng)的傳感頭，其對應透射光譜如圖2所示，其中，X表示相鄰波谷間隔。從圖2可看出長度為1m的傳感光纖其透射峰相鄰兩波谷間距比傳感光纖為2m的相鄰兩波谷間距大2倍。表明傳感光纖越長，相鄰波谷間距越小，這與式(7)理論相符。

圖2 傳感系統(tǒng)的透射光譜

圖3 傳感器透射譜的3 dB帶寬

為比較該傳感系統(tǒng)中不同長度的傳感光纖對透射光譜3 dB帶寬的影響，實驗對傳感頭長度為1 m與2 m透射譜波谷的3 dB帶寬進行了觀測如圖3所示?？梢钥闯鰝鞲泄饫w變長，透射譜的3 dB帶寬不變，也就是說在本實驗方案中，傳感器的3 dB帶寬不隨傳感頭長度的變化而改變。

實驗過程中，以步長為0.5 N，從0 N到5 N，分別對長度為1 m和2 m傳感頭施加壓力，波長隨壓力變化漂移如圖4所示，從圖4中可看出，隨著壓力增大，波長紅移，且在相同壓力下，1 m傳感器的波長漂移量大于2 m傳感器。

圖4 波長隨壓力變化漂移

線性擬合如圖5所示，由圖5(a)可知，每增加1 N的力，傳感頭為1 m的傳感器波長漂移0.258 nm，線性相關的度約為0.998，其壓力靈敏度為0.258 nm/N。由圖5(b)可知，每增加1 N的力，傳感頭為2 m的傳感器波長漂移0.133 nm，線性相關的度為0.995，壓力靈敏度為0.133 nm/N。經(jīng)分析，傳感頭長度為1 m的傳感器靈敏度高于2 m的傳感器的原因在于1 m其有效受壓面積不同。在相同的壓力下，有效受壓面積大的傳感器受到的壓強較小，導致其雙折射變化小，故波長漂移小，靈敏度低，這與式(8)的理論相符合。

圖5 壓力傳感實驗結果分析

3 結 論

本文主要對基于PMF-Sagnac結構的光纖壓力測量傳感系統(tǒng)進行了研究分析，利用熊貓保偏光纖對外界環(huán)境的雙折射敏感且可進行窄帶濾波特性，搭建了壓力傳感系統(tǒng)，并對該傳感系統(tǒng)進行了解調(diào)實驗。實驗同時對基于不同長度傳感頭的壓力傳感系統(tǒng)進行了分析。結果表明：不同長度傳感頭3 dB帶寬相同；傳感頭的長度越短，自由光譜范圍越大，靈敏度越高；反之，傳感頭的長度越長，自由光譜范圍越小，靈敏度降低。傳感系統(tǒng)結構簡單，成本較低，且易操作。