毛細(xì)石英管構(gòu)成的高靈敏度位移傳感器

王 媛，江 超，陳 寧，王 解，葉文豪，郭小珊

(湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北黃石 435002)

0 引言

光纖位移傳感器由于響應(yīng)速度快、靈敏度高，特別適合于一些精度級別要求較高的微位移測量場合。多年來，各種結(jié)構(gòu)類型的光纖位移傳感器層出不窮[1-10]，這些光纖位移傳感器性能優(yōu)良、響應(yīng)速度快、測量精度高，但有些結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、裝配不方便，有些需要設(shè)置專門的參考臂等。而利用光纖干涉儀制作位移傳感器也被人們關(guān)注[11-15]，主要采用光纖馬赫-則德爾(M-Z)干涉儀與光纖法布里-珀羅(F-P)干涉儀結(jié)構(gòu)，這些干涉儀結(jié)構(gòu)很簡單，容易集成，裝配方便，大多數(shù)時候不需要參考臂。光纖F-P干涉儀作為4種常見的相位調(diào)制光纖干涉儀之一，具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點[16]。由于F-P腔獨特的工作原理，通過改變F-P腔的腔長來改變傳輸光束的相位，這使得F-P干涉儀具有極高的靈敏度和分辨度。因此利用F-P干涉儀制作位移傳感器，具有極高的測量靈敏度，但相應(yīng)測量的位移范圍較小，一般比較適合用于小位移量測量。Polymicro Techologies公司生產(chǎn)的毛細(xì)石英管性能穩(wěn)定，對溫度不敏感，不會因溫度變化對實驗結(jié)果造成過大影響，且機(jī)械強(qiáng)度較高，價格便宜，利用它制作的F-P腔傳感器有一定的應(yīng)用前景[17-21]。本文采用毛細(xì)石英管與平面反射鏡構(gòu)成一個腔長可調(diào)的F-P干涉儀型位移傳感器，傳感器工作原理是多光束干涉，而且干涉譜的條紋寬度大、峰值大。設(shè)計的光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、制作方便、靈敏度高、微位移測量范圍較大，能夠用于航空航天、海底探測、科學(xué)研究等精度級別較高的微位移測量場合。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作

圖1為制作的光纖F-P干涉儀型位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。單模光纖(SMF)采用國產(chǎn)的普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，纖芯直徑為9 μm，包層直徑為125 μm；毛細(xì)石英管型號為TSP075150，內(nèi)徑為75 μm，管壁為高純度石英玻璃，管壁外徑為125 μm，與單模光纖的包層直徑一致。傳感器制作過程如下：

圖1 毛細(xì)管構(gòu)成的F-P干涉儀傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與光路圖

第一步，單模光纖與毛細(xì)石英管熔接。取一段幾厘米長的毛細(xì)石英管，先用火焰將毛細(xì)石英管的表面保護(hù)層燒掉，用丙酮溶液把毛細(xì)石英管表面擦干凈；然后用特種玻璃切割刀把毛細(xì)石英管端面切割平整；最后利用光纖熔接機(jī)將處理好的單模光纖和毛細(xì)石英管正對熔接起來。由于毛細(xì)石英管為空心，與單模光纖不一樣，為防止熔接過程中可能出現(xiàn)塌陷情況，采取手動調(diào)節(jié)方法對熔接模式進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。

第二步，用飛秒激光精密切割技術(shù)將毛細(xì)石英管切到合適的長度[22-23]。由于在F-P干涉儀中毛細(xì)石英管長度要求很短，為μm量級，一般辦法無法把毛細(xì)石英管切割到如此短的長度。我們利用實驗室搭建的飛秒激光微納加工平臺，用飛秒激光將幾厘米長的毛細(xì)石英管依據(jù)要求切短到μm量級，實驗保留毛細(xì)石英管長度約為L1=100 μm，并且確保把毛細(xì)石英管的端面切割光滑平整。

第三步，利用平面反射鏡構(gòu)成F-P干涉儀。將制作好的毛細(xì)石英管結(jié)構(gòu)固定在精密位移平臺上，在毛細(xì)石英管末端面位置處垂直放置一面平面全反射鏡，利用平面鏡和毛細(xì)石英管一起構(gòu)成一個復(fù)雜的F-P干涉儀。

把制作好的圖1所示的干涉儀結(jié)構(gòu)用三端口環(huán)形器與寬帶光源和光譜儀連接，其中輸入端連接寬帶光源(BBS)上，輸出端接到光譜分析儀(OSA)，構(gòu)成圖2的位移傳感器示意圖。在進(jìn)行位移傳感測量實驗時，平面鏡固定不動，通過移動精密位移平臺使毛細(xì)石英管移動，產(chǎn)生位移d，改變F-P干涉儀的腔長，使干涉儀反射譜諧振峰的中心波長發(fā)生漂移，找出位移量與諧振峰中心波長漂移的關(guān)系，實現(xiàn)位移測量。

圖2 位移傳感器的示意圖

當(dāng)毛細(xì)管與平面反射鏡之間初始距離L2=20 μm時，依據(jù)圖2測量圖，測得F-P干涉儀的初始反射光譜圖為圖3。由主反射面R1與反射鏡面R3構(gòu)成的F-P腔的腔長L0=L1+L2=120 μm，比較小，所以干涉儀在1.3～1.6 μm之間反射譜的諧振峰不是特別多，而且自由空間光譜間隔FSR也較大，適合做傳感器。為了對比分析該結(jié)構(gòu)的傳感性能，挑選傳感器反射譜中處于中間位置的波谷1和波谷2作為實驗觀測點，其中波谷1的中心波長λ1=1 459.6 nm，峰值強(qiáng)度A1=-13.43 dB；波谷2的中心波長λ2=1 470 nm，峰值強(qiáng)度A2=-13.08 dB。則FSR=1 470 nm-1 459.6 nm=10.4 nm。

圖3 傳感器的初始反射譜

圖3的光譜圖通過傅里葉變換得到圖4所示的頻譜圖，使得在時閾難以觀測的光模式通過轉(zhuǎn)到頻域就非常容易分辨。從圖4的空間頻譜分布圖可知，在功率成分中占最主要作用的是5個高階模，還有一些更高階模在反射譜的形成中也起到了一定的作用，其他模式作用可忽略不計。

圖4 傳感器的初始頻譜圖

1.2 傳感原理分析

傳感器光路示意圖如圖1所示，該干涉儀包括3個F-P腔，由反射面R1與R2形成Q1腔；由反射面R2和R3構(gòu)成Q2腔；由反射面R1和R3構(gòu)成Q3腔。由于毛細(xì)管管徑為75 μm，比較大，石英管壁為25 μm，較小，因此光大部分模式在管腔內(nèi)部傳輸，石英管壁里傳輸?shù)墓饽Ｊ捷^少，而且R2面為環(huán)形面，因此實際反射面R1與R2之間的反射光是很微弱的，形成的干涉對總干涉貢獻(xiàn)很小。同時石英管壁里傳輸?shù)墓饽Ｊ捷^少，R2面為環(huán)形面，在反射面R2與反射鏡面R3之間形成干涉也是很微弱的，對總干涉貢獻(xiàn)也很小。最終形成F-P干涉儀的主要是由反射面R1和R3構(gòu)成的Q3腔。當(dāng)光經(jīng)過干涉儀干涉后傳輸進(jìn)光譜儀，可以觀察傳感器的干涉光譜。輸出的反射干涉光譜的光強(qiáng)[24-25]：

(1)

式中：I(λ)為干涉光的總光強(qiáng)；A1和A3分別為反射面R1與R3反射光的振幅；λ為真空中的光波波長；φ為兩反射面反射光的相位差，可以表示為

(2)

式中：nair為Q3腔內(nèi)空氣的折射率；L為Q3的長度，L= (L1+L2)+d=L0+d。

當(dāng)φ=(2m+1)π時，得到干涉儀中諧振峰波谷的波長λm：

(3)

則諧振峰波谷波長的漂移量：

(4)

式中Δd為位移量。

因為空氣腔中折射率nair不隨位移量的改變而變化，因此可以通過監(jiān)控波長漂移量測量微小位移。

2 實驗結(jié)果與分析

圖5為傳感器進(jìn)行位移測量的實驗裝置示意圖，傳感頭固定在精密位移平臺上，精密位移平臺與全反鏡均固定在精密光學(xué)平臺上，傳感器分別與寬帶光源(BBS)和光譜分析儀(OSA)相連接。實驗開始前調(diào)節(jié)傳感頭與全反鏡使它們垂直正對，實驗過程中全反鏡固定不動，利用精密位移平臺上的千分尺使傳感頭端移動進(jìn)行位移傳感測量。在實驗時，首先調(diào)節(jié)精密位移平臺上的千分尺將傳感器末端與全反鏡的鏡面保持零距離接觸狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)千分尺使傳感器末端端面離開全反鏡，最后距離保持L2=20 μm狀態(tài)，完成F-P干涉儀的初始設(shè)置，獲得顯示度很好的反射譜如圖3所示。接著正式開始位移實驗，每次轉(zhuǎn)動千分尺上的微分筒一格，使傳感器向左移動d=10 μm，光譜儀記錄一次波形變化。傳感器結(jié)構(gòu)一共向左移動了90 μm，記錄了8次光譜變化圖，實驗發(fā)現(xiàn)如果傳感器再向左增加位移量(＞90 μm)時，發(fā)現(xiàn)傳感器反射譜的諧振峰強(qiáng)度衰減很快，強(qiáng)度變得很小，無法區(qū)分判斷，故不宜再進(jìn)行位移測量。實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器向左移動的位移量不斷增大(20 μm→90 μm)時，即F-P腔長不斷增大，傳感器的反射譜整體向右漂移，下面取傳感器反射譜諧振峰波谷1與波谷2進(jìn)行實驗結(jié)果討論與分析。

圖5 傳感器測量位移的實驗裝置示意圖

圖6記錄了傳感器反射譜中波谷 1隨位移量d的變化圖，隨著位移增大，波谷1的中心波長λ1紅移，將光譜分析儀上的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB軟件中進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖7所示，波谷 1的中心波長漂移量與位移之間存在良好的線性變化關(guān)系，線性擬合度R2=0.988 7，可得位移靈敏度為254 pm/μm。

圖6 反射譜中波谷 1隨位移量d變化圖

圖7 波谷1中心波長隨位移的變化關(guān)系與擬合

圖8記錄了傳感器反射譜中波谷 2隨位移量d的變化圖，隨著位移增大，波谷 2的中心波長λ2也紅移，將光譜分析儀上的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)行線性擬合結(jié)果如圖9所示，波谷 2 的中心波長漂移量與位移之間存在良好的線性變化關(guān)系，線性擬合度R2=0.989 1，可得位移靈敏度亦為254 pm/μm。波谷2的位移靈敏度與波谷 1的位移靈敏度一樣。實驗結(jié)果與前面原理分析相一致，如果取反射譜中其他波谷進(jìn)行實驗研究，亦能夠獲得相同的結(jié)果。

圖8 傳感器反射譜中波谷2隨位移量d變化圖

圖9 波谷2中心波長隨位移的變化關(guān)系與擬合

3 結(jié)束語

通過簡單的單模光纖與毛細(xì)石英管拼接，再利用一塊平面全反鏡，構(gòu)成F-P干涉儀型位移傳感器。傳感器的F-P腔主要由熔接端面R1和平面反射鏡反射面R3之間形成，通過移動傳感器位置改變F-P腔長度，獲得傳感器變化的反射譜，通過分析傳感器反射譜諧振峰波谷的中心波長隨位移變化關(guān)系，實現(xiàn)了位移量的測量。實驗測得傳感器反射譜諧振峰中波谷1與波谷2的中心波長隨位移變化存在很好的線性關(guān)系，線性擬合度都達(dá)到99%，在波谷1與波谷2處測得的位移靈敏度均為254 pm/μm。設(shè)計的傳感器獲得了極高的位移靈敏度，它在位移傳感方面具有很好的應(yīng)用前景與發(fā)展空間，還可以利用該技術(shù)原理檢測工件的表面粗糙度與液位等其他的物理量。