基于輸出光斑旋轉(zhuǎn)的光纖微彎位移傳感器

吳駿+查媛+王華+馬軍山

摘要：

為研究光纖微彎位移傳感器，在單模光纖傳輸系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)光纖圈和光纖微彎傳感器。通過(guò)改變光纖圈的直徑，以獲得兩個(gè)光斑，通過(guò)移動(dòng)光纖微彎傳感器，記錄輸出光斑旋轉(zhuǎn)情況，并分析了傳感器的移動(dòng)位移和輸出光斑的旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，光斑轉(zhuǎn)移角度與傳感器位移在一定范圍內(nèi)存在良好的線性響應(yīng)關(guān)系，因此可通過(guò)檢測(cè)光斑圖像的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)位移量的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：

位移； 微彎； 光纖傳感器； 光斑旋轉(zhuǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 212.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.005

Abstract：

This paper is devoted to the research of fiber optic displacement sensor.The experiment of a fiber ring and fiberoptic microbend sensor is designed in the single mode optical fiber transmission system.Two spots are obtained by changing the diameter of the fiber ring and the spots are rotated by moving the fiberoptic microbend sensor.In the experiment，we analyze the relationship between rotation angle of the output spot and the displacement of the sensor.The experiment data show that the spot angle has fine linear response to the displacement in a certain scope.Therefore，we could measure the displacement by detecting the rotation of the spot image base on the phenomenon.

Keywords： displacement； microbend； fiberoptic sensor； spot rotation

引言

光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類(lèi)傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、體積小、重量輕、可用于易燃易爆的環(huán)境中等。所以，光纖傳感器已經(jīng)成為機(jī)載光學(xué)傳感器的必然發(fā)展趨勢(shì)[1]。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號(hào)（被測(cè)量）的新型傳感技術(shù)[2]。當(dāng)這種外界信號(hào)為位移時(shí)，即構(gòu)成了光纖位移傳感器。

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

本文屬于光纖自身的傳感器，所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測(cè)量。外接的被測(cè)量能夠引起測(cè)量臂的長(zhǎng)度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔?、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測(cè)量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化就可檢測(cè)出被測(cè)量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測(cè)出10-4rad的微小相位變化所對(duì)應(yīng)的物理量[3]。利用光纖的可繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L(zhǎng)的光纖盤(pán)成直徑很小的光纖圈，以增加利用長(zhǎng)度，獲得更高的靈敏度。

本文介紹了一種基于光斑旋轉(zhuǎn)角度調(diào)制的新型光纖位移傳感器，其不需要像光纖光柵那樣復(fù)雜的光刻傳感結(jié)構(gòu)，不需要精密的光斑接收轉(zhuǎn)換設(shè)備，而只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的CCD接收光纖出射的光斑圖像即可測(cè)量得到環(huán)境參數(shù)（位移、壓力、振動(dòng)、頻率等），改變利用長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)傳感靈敏度可調(diào)等突出優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)是在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，用微彎傳感器代替了被壓縮的光圈2，與之相比，在實(shí)驗(yàn)操作方面更為簡(jiǎn)潔，微彎結(jié)構(gòu)使其傳感的靈敏度更高，但對(duì)微彎傳感器的結(jié)構(gòu)加工制造精度要求高。

1實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

光波是一種電磁波，光纖中的模是指電磁場(chǎng)在光纖中的存在方式和傳播方式。光波在光纖中的傳播遵從麥克斯韋方程組和光纖這種傳輸介質(zhì)的邊界條件，解麥克斯韋方程組所得到的特征函數(shù)就是光纖中存在的模，相對(duì)應(yīng)的特征值就是傳播常數(shù)β。正常情況下，光在光纖中沿軸向的傳播常數(shù)β應(yīng)滿(mǎn)足[5]：

在光纖不受外力影響的情況下，光在光纖中的傳輸模式由一組衰減的偏振模組成。當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光在彎曲部分中進(jìn)行傳輸，要保持同相位的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在一個(gè)平面里，則越靠近外側(cè)，其速度就越大；當(dāng)傳到某一位置時(shí)，其相速度就會(huì)超過(guò)光速，這意味著傳導(dǎo)模要變成輻射模，這樣，彎曲光纖中所承載的模式比直光纖中少[6]，彎曲光纖的曲率半徑?jīng)Q定了光纖承載的有效傳導(dǎo)模式的數(shù)量，且曲率半徑越小，損耗越大，其在光纖中傳輸?shù)哪Ｊ骄驮缴佟＞C上所述，單模光纖中正常情況下只有基模傳輸，在本試驗(yàn)系統(tǒng)中將一段光纖繞成一個(gè)圈，

由于彎曲損耗[7]改變了激光在光纖中傳輸模式數(shù)量，改變光纖圈直徑大小，可以獲得兩光斑低階模。目前最常用的光纖微彎傳感器原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中微彎結(jié)構(gòu)由一對(duì)機(jī)械周期為Λ的齒形板組成，光纖從齒形板中間穿過(guò)，當(dāng)上齒形板相對(duì)下齒形板產(chǎn)生位移L時(shí)會(huì)擠壓光纖使其產(chǎn)生周期性的彎曲。試驗(yàn)中，為產(chǎn)生位移的變化，將一微位移平臺(tái)施加到移動(dòng)齒形板上，最小變化位移為0.01 mm。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，齒形板選用高強(qiáng)度、低彈性的材料，在條件許可時(shí)，將光纖粘貼在高強(qiáng)度、低彈性光纖加強(qiáng)材料上，通過(guò)光纖加強(qiáng)材料來(lái)調(diào)節(jié)光纖的彎曲程度，從而改變其對(duì)外界應(yīng)力的響應(yīng)靈敏度，同時(shí)可以有效保護(hù)光纖，延長(zhǎng)其使用壽命[6]。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖2所示，氦氖激光器發(fā)出632.8 nm的激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合到單模光纖中，再通過(guò)繞制的光纖圈（改變激光在光纖中傳輸模式數(shù)量），將光纖從微彎光纖傳感器中穿過(guò)，用CCD接收光纖輸出端的激光光斑，最終將光斑圖像傳到PC里進(jìn)行觀察、采集及儲(chǔ)存。當(dāng)齒形板（產(chǎn)生位移L）擠壓光纖時(shí)，輸出光斑發(fā)生旋轉(zhuǎn)，用CCD采集對(duì)應(yīng)的光斑圖像，再通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算光斑的旋轉(zhuǎn)角度θ，可實(shí)現(xiàn)利用光斑角度θ來(lái)測(cè)量位移L的目的。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

調(diào)節(jié)光纖圈的大小，使得輸出光斑變?yōu)閮蓚€(gè)獨(dú)立分開(kāi)且完整的光斑，然后壓縮可移動(dòng)鋸齒板擠壓光纖，每移動(dòng)一定位移之后，記錄下對(duì)應(yīng)的輸出光斑圖像。

圖3為0～0.35 mm移動(dòng)范圍內(nèi)每隔0.05 mm移動(dòng)齒形板（機(jī)械周期Λ為5 mm，齒數(shù)為6組）時(shí)，輸出光斑的變化情況。

可以看出：隨著位移的逐漸增大，光斑整體按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一定角度。這是由于當(dāng)光纖受到周期性的擠壓彎曲時(shí)，其光斑受幾何效應(yīng)與彈光效應(yīng)的共同影響。幾何效應(yīng)使得光斑隨著光纖扭轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)[8]。彈光效應(yīng)則會(huì)影響介質(zhì)的折射率，發(fā)生雙折射現(xiàn)象，進(jìn)而使傳輸模能量空間分布變化，表現(xiàn)為光斑的旋轉(zhuǎn)[4]。同時(shí)在這一過(guò)程中，兩個(gè)光斑各自的光強(qiáng)有所衰減或增強(qiáng)，這是由于在光纖受壓的過(guò)程中，使傳輸模能量強(qiáng)度分布發(fā)生了變化。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)只利用光斑的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象來(lái)測(cè)量移動(dòng)的位移，所以不考慮光強(qiáng)的變化現(xiàn)象。

圖4是用MATLAB軟件將圖3二值化處理后得出來(lái)的圖像，利用regionprops區(qū)域函數(shù)[9]來(lái)獲得兩個(gè)白色區(qū)域，用centroid求得兩中心點(diǎn)的坐標(biāo)，有了兩點(diǎn)坐標(biāo)后，用atan函數(shù)求出弧度，最后再將弧度轉(zhuǎn)化為角度，即可得出光斑角度值。

表1為0～0.18 mm移動(dòng)范圍內(nèi)每移動(dòng)齒形板0.01 mm時(shí)，用MATLAB軟件算出的光斑角度值。

從表1中可看出每移動(dòng)0.01 mm，光斑角度都會(huì)隨之減小一定角度。依據(jù)表1運(yùn)用最小二乘法擬合出對(duì)應(yīng)的曲線，如圖5所示。

式中：Y為光斑旋轉(zhuǎn)角；x為移動(dòng)位移；式中的常數(shù)是初始輸出光斑角度值。由上式可知，傳感器的響應(yīng)靈敏度為605.713 2（°）/mm（正向）。該值較大，說(shuō)明此傳感器響應(yīng)靈敏。

線性度是描述傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差（ΔYmax）與滿(mǎn)量程（Y）的百分比，稱(chēng)為線性度（線性度又被稱(chēng)為“非線性誤差”），該值越小，表明線性特性越好，其表達(dá)式如下：

δ=ΔYmaxY×100%

（3）

由此算得線性度為0.045 9。該值較小，說(shuō)明此傳感器在一定的測(cè)量范圍內(nèi)具有較好的線性響應(yīng)特性。

傳感器的位移量與封裝殼體的厚度有關(guān)，當(dāng)封裝外殼是厚殼體時(shí)，忽略光纖所受的軸向應(yīng)力，只考慮橫向應(yīng)力，用于殼體的光纖加強(qiáng)材料的選擇滿(mǎn)足以下關(guān)系[6]：

h=3pa45.86ES

（4）

式中：h為殼體上蓋的厚度；p為所承受的壓力；a為有效半徑；E為彈性模量；S為位移量。由式（4）可得壓力公式為：

p=5.86h3ES/a4

（5）

由上式可算出壓力，因而，該位移傳感器可拓展為測(cè)量壓力的傳感器。

綜上所得，該傳感器在一定的測(cè)量范圍內(nèi)具有較高的響應(yīng)靈敏度和良好的線性響應(yīng)特性。此外，該傳感器可拓展為壓力傳感器。

3結(jié)論

本文提出并研制了一種新型的基于光纖輸出光斑旋轉(zhuǎn)的光纖微彎位移傳感器，介紹了該傳感器的工作原理，觀察并定性解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，研究了光斑旋轉(zhuǎn)角度與位移之間的關(guān)系。結(jié)果表明，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高且線性度好。此外，該傳感器可拓展為測(cè)壓、測(cè)重等傳感器，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯：劉鐵英）