基于高阶模干涉的光纤应变传感器_李恩邦

基于高阶模干涉的光纤应变传感器**

李恩邦**

(天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072)

摘要:介绍一种利用光纤内的高阶模干涉原理实现对应变测量的新型光纤应变传感器。在采用相同光纤的条件下,该应变传感器具有与光纤布拉格光栅(FBG)相反符号的应变系数,其温度灵敏度与FBG传感器相同,而应变灵敏度约为FBG传感器的2倍,非常适合与FBG结合实现应变与温度的同时测量,并具有结构简单、制作方便和成本低等特点。

关键词:应变;光纤模间干涉;光纤传感

中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:1005-0086(2007)09-1055-03

A n O ptic Fiber S train Sensor Based on In terferen ce of Higher-ord er Mod es

LI En-bang**

(College of Precision Instrument and Optoelectroni cs Engineer i ng,T ianjin U niversity,T ianjin300072,China)

A bs tra ct:This paper reports on a novel optic-fiber strai n sensor.It has been demonstrated that by uti li zing the i nterference of higher-order modes in a segment of multimod e fi ber,an opti c-fiber strain sensor can be pared with the most popularly used strain sensor based on fiber Bragg grating(FBG)technology,the prop osed strain sensor has an almost doub-led strain sensitivity wi th an opposite sign.The temperature sensitivity of the strai n sensor descri bed in this paper is as same as that of FBG strai n sensors.Therefore,the proposed strain sensor can be used wi th F

B G sensors for simultaneous strain and temperature measurements.Other features i nclude an extremely simple structure an d low cost.

Key words:strain;modal interference;optical fiber sensing

1引言

目前,使用最广泛的光纤应变传感器主要是基于光纤布拉格光栅(FBG)技术[1~3]。作为一种全光纤器件,FBG已被广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器除具有光纤传感的共同特点外,还可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点,因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作用。FBG对温度和应变有交叉敏感性,在实际应用中需要采用特殊技术将应变与温度分离[4]。常用的方法是使用2个具有不同应变与温度系数的FBG[5],在测得2个传感器的布拉格波长的变化后,通过计算同时得到被测应变与温度值[6~8]。采用具有不同直径或不同材料的光纤制作的FBG可以实现上述应变与温度分离方法。然而,实际应用中,无论是改变光纤直径还是使用不同材料的光纤都会对FBG制作以及与其它光纤器件的熔接带来困难。

本文将介绍一种新型光纤应变传感器,它利用光纤内的高阶模干涉的原理实现对应变的测量。在采用相同光纤的条件下,该应变传感器具有与FBG相反符号的应变系数,其温度灵敏度与FBG传感器相同,而应变灵敏度约为FBG传感器的2倍。非常适合与FBG结合实现应变与温度的同时测量,并具有结构简单、制作方便和成本低等特点。

2传感原理

如图1所示,如果将一段多模光纤(MMF)与一单模光纤(SMF)无偏心对接,由SMF传来的基模光进入MMF后,将形成基模LP01和若干高阶模LP0N。由SMF基模向这些导模的耦合系数分布是不均匀的。这些导模将沿MMF传播,到达MMF的端面后,被发射后沿相反方向传播。在SMF与MMF 的界面,由于不同阶数的导模模场分布的差异,因而导致它们在向SMF基模耦合时耦合系数间的不同,其结果是只有少数导模才有可能被有效地耦合到SMF中。在这里,SMF起到了选择模式的作用。被耦合到SMF中的导模,由光纤耦合器或环行器与入射光分离,在光探测器发生干涉,当入射光的波长满足

K=8n ma2

(N1-N2)[2(N1+N2)-1]L(1)时,形成干涉极大。式中:n为MMF纤芯的折射率;m为一正整数;a为MMF纤芯半径;L为MMF的长度;N1、N2为导模LP0N的阶数。

光电子#激光

第18卷第9期2007年9月Journal of O p toelectronics#Laser Vo l.18No.9Sep.2007

*收稿日期:2006-09-05

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60578054)

**E-m ail:enbang@

图1光纤应变传感器结构及实验装置

Fig.1Structure of the proposed strain sensor and

schem atics diagram of the experim ental se-t up

在M MF受到沿光纤轴向力的作用时,光纤本身要产生机械变形,即其半径a和长度L均随所受力的变化而改变。同时,由于光弹效应,光纤纤芯的折射率n也会随所受力的变化而改变。所以外力对光纤引起的应变将导致谐振波长K的变化,检测K即可得到应变值。当温度一定时,由应变引起的波长变化为

$K

K=[1

n

$n+2

a

$a-1

L

$L]T=-(1+2M+p e)E(2)

其中:M为MM F的泊松比;p e为M MF材料的光弹系数。

由此可见,本文提出的应变传感器的相对波长变化与其所发生的应变成线性关系。但与FBG应变传感器不同的是,当应变为正值(拉应变)时,谐振波长向短波长变化,与FBG应变传感器的特性相反。对于FBG应变传感器,其应变灵敏度为1-p e。由石英光纤制成的FBG应变传感器该值约为0.78。对于本文提出的应变传感器,如取M M F材料的泊松比为0.16,则其应变灵敏度为1.54,是FBG应变传感器应变灵敏度的近2倍。分析与计算表明,该应变传感器具有与FBG应变传感器相同的温度灵敏度[9]。

3实验与结果

如图1所示,SMF采用G652,其纤芯直径为8.2L m,包层直径为125L m,数值孔径为0.14。首先将其保护涂层除去,然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。MMF使用Nufern MM-S105/125-15A折射率阶跃光纤,其纤芯直径为105 L m,包层直径为125L m,数值孔径为0.14。首先将其保护涂层除去,然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。之后,将端面处理后的SMF和MMF放入光纤熔接机将两光纤熔接在一起。在MMF上50mm处使用光纤切刀将其切断,并将其与另一段SMF熔接在一起,制成应变传感器。

光纤应变测量实验装置如图1所示。ASE宽带光源的输出光谱范围为1520~1565nm,输出功率为5mW。采用光纤光谱分析仪(OSA)作为光谱记录和波长解调设备。实验中先将制作好的多模干涉应变传感器接在ASE宽带光源输出与OSA输入间,以测试其透射光谱。图2为实验记录的透射光谱图。可看出,在所用ASE宽带光源的光谱范围内,出现一干涉极小。当在传感器两端施加张力时,可观察到干涉极小对应波长的移动。张力增加时,波长向

短波长方向移动。

图2多模干涉应变传感器的透射光谱

Fig.2T ransm ission spectrum

为与FBG应变传感器对比并定量测量其应变灵敏度,将制作好的多模干涉应变传感器与未封装的FBG串接在一起(2种器件由相同包层直径的光纤制成)。实验中,将一端固定,另一端与微位移平台相连。调整微位移平台可改变施加在两传感器上的拉应力,该拉应力对两传感器是相同的。由于两传感器光纤包层直径相同,故可认为它们产生相同应变。图3为实验记录的两传感器串接时的透射光谱图,可看出,多模干涉光纤应变传感器可以波分复用的方式与FBG应变传感器构成光纤传感网络。

图3多模干涉应变传感器与FBG串接后的透射光谱

F ig.3T ransmission spectrum:cascaded w ith an FBG

图4为实测多模干涉应变传感器与FBG 应变传感器的应

图4实测多模干涉应变传感器与FBG应变

传感器应变灵敏度对比实验结果

F ig.4M easured wa veleng th shifts of the developed

strain sensor and an FB G sensor

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#光电子#激光2007年第18卷