引 言
光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点,如灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、体积小、重量轻、可用于易燃易爆的环境中等。所以,光纤传感器已经成为机载光学传感器的必然发展趋势[。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体,光纤为媒质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术[。当这种外界信号为位移时,即构成了光纤位移传感器。
光纤传感器是最近几年出现的新技术,可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等,还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里,在强电磁干扰和高电压的环境里,光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种,大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。
本文属于光纤自身的传感器,所谓光纤自身的传感器,就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化,从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉(比较),使输出的光的相位(或振幅)发生变化,根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高,利用干涉技术能够检测出10-4rad的微小相位变化所对应的物理量[。利用光纤的可绕性和低损耗,能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈,以增加利用长度,获得更高的灵敏度。
本文介绍了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤位移传感器，其不需要像光纤光栅那样复杂的光刻传感结构,不需要精密的光斑接收转换设备,而只需要一个简单的CCD接收光纤出射的光斑图像即可测量得到环境参数(位移、压力、振动、频率等),改变利用长度可实现传感灵敏度可调等突出优点。本实验是在文献[的基础上，对其结构进行了改进,用微弯传感器代替了被压缩的光圈2,与之相比,在实验操作方面更为简洁,微弯结构使其传感的灵敏度更高,但对微弯传感器的结构加工制造精度要求高。
1 实验原理及实验装置
光波是一种电磁波,光纤中的模是指电磁场在光纤中的存在方式和传播方式。光波在光纤中的传播遵从麦克斯韦方程组和光纤这种传输介质的边界条件,解麦克斯韦方程组所得到的特征函数就是光纤中存在的模,相对应的特征值就是传播常数β。正常情况下,光在光纤中沿轴向的传播常数β应满足[:
式中:n1、n2分别为光纤纤芯和包层的折射率;k0=2π/λ0为真空中光波的波数。
在光纤不受外力影响的情况下,光在光纤中的传输模式由一组衰减的偏振模组成。当光纤弯曲时,光在弯曲部分中进行传输,要保持同相位的电场和磁场在一个平面里,则越靠近外侧,其速度就越大;当传到某一位置时,其相速度就会超过光速,这意味着传导模要变成辐射模,这样,弯曲光纤中所承载的模式比直光纤中少[,弯曲光纤的曲率半径决定了光纤承载的有效传导模式的数量,且曲率半径越小,损耗越大,其在光纤中传输的模式就越少。综上所述,单模光纤中正常情况下只有基模传输,在本试验系统中将一段光纤绕成一个圈,由于弯曲损耗[改变了激光在光纤中传输模式数量,改变光纤圈直径大小,可以获得两光斑低阶模。目前最常用的光纤微弯传感器原理结构图如图 1所示,图中微弯结构由一对机械周期为Λ的齿形板组成,光纤从齿形板中间穿过,当上齿形板相对下齿形板产生位移L时会挤压光纤使其产生周期性的弯曲。试验中,为产生位移的变化,将一微位移平台施加到移动齿形板上,最小变化位移为0.01 mm。为保证实验数据的准确性,齿形板选用高强度、低弹性的材料,在条件许可时,将光纤粘贴在高强度、低弹性光纤加强材料上,通过光纤加强材料来调节光纤的弯曲程度,从而改变其对外界应力的响应灵敏度,同时可以有效保护光纤,延长其使用寿命[。
图 1
Fig. 1
图 1 微弯光纤传感器结构图
Fig. 1 Structure of micro-bend fiber-optic sensor
实验系统装置如图 2所示,氦氖激光器发出632.8 nm的激光经过聚焦透镜耦合到单模光纤中,再通过绕制的光纤圈(改变激光在光纤中传输模式数量),将光纤从微弯光纤传感器中穿过,用CCD接收光纤输出端的激光光斑,最终将光斑图像传到PC里进行观察、采集及储存。当齿形板(产生位移L)挤压光纤时,输出光斑发生旋转,用CCD采集对应的光斑图像,再通过MATLAB软件计算光斑的旋转角度θ,可实现利用光斑角度θ来测量位移L的目的。
图 2
Fig. 2
图 2 基于光斑旋转的光纤微弯位移传感器原理图
Fig. 2 Principle diagram of fiber-optic micro-bend sensor based on output spot rotation
2 实验结果及讨论
调节光纤圈的大小,使得输出光斑变为两个独立分开且完整的光斑,然后压缩可移动锯齿板挤压光纤,每移动一定位移之后,记录下对应的输出光斑图像。
图3为0~0.35 mm移动范围内每隔0.05 mm移动齿形板(机械周期Λ为5 mm,齿数为6组)时,输出光斑的变化情况。
2 实验结果及讨论
调节光纤圈的大小,使得输出光斑变为两个独立分开且完整的光斑,然后压缩可移动锯齿板挤压光纤,每移动一定位移之后,记录下对应的输出光斑图像。
图 3为0~0.35 mm移动范围内每隔0.05 mm移动齿形板(机械周期Λ为5 mm,齿数为6组)时,输出光斑的变化情况。
图 3
Fig. 3
图 3 光斑旋转图
Fig. 3 Images of spot rotation
可以看出:随着位移的逐渐增大,光斑整体按顺时针方向旋转一定角度。这是由于当光纤受到周期性的挤压弯曲时,其光斑受几何效应与弹光效应的共同影响。几何效应使得光斑随着光纤扭转而旋转[。弹光效应则会影响介质的折射率,发生双折射现象,进而使传输模能量空间分布变化,表现为光斑的旋转[。同时在这一过程中，两个光斑各自的光强有所衰减或增强，这是由于在光纤受压的过程中,使传输模能量强度分布发生了变化。因为本实验只利用光斑的旋转现象来测量移动的位移,所以不考虑光强的变化现象。
图 4是用MATLAB软件将图 3二值化处理后得出来的图像，利用regionprops区域函数[来获得两个白色区域,用centroid求得两中心点的坐标,有了两点坐标后,用atan函数求出弧度,最后再将弧度转化为角度,即可得出光斑角度值。
图 4
Fig. 4
图 4 光斑二值化
Fig. 4 Images of spot thresholding
表 1为0~0.18 mm移动范围内每移动齿形板0.01 mm时,用MATLAB软件算出的光斑角度值。
从表 1中可看出每移动0.01 mm,光斑角度都会随之减小一定角度。依据表 1运用最小二乘法拟合出对应的曲线,如图 5所示。
表 1
(Table 1)
表 1 光斑旋转角度值
Table 1 Angles of spot rotation
位移L/mm角度θ/(°)位移L/mm角度θ/(°)
0109.6650.1047.093
0.0199.7850.1138.211
0.0291.6260.1228.129
0.0385.9520.1322.925
0.0479.4580.1416.128
0.0572.3420.1512.251
0.0666.1220.168.042
0.0762.0550.174.149
0.0858.6580.181.595
0.0952.203
表 1 光斑旋转角度值
Table 1 Angles of spot rotation
图 5
Fig. 5
图 5 光斑角度与位移之间的关系
Fig. 5 Angles of spot rotation versus displacement
图 5横坐标为可移动锯齿板的移动位移,纵坐标为光斑旋转角,可清楚地看到两者呈线性关系。拟合的曲线为:
式中:Y为光斑旋转角;x为移动位移;式中的常数是初始输出光斑角度值。由上式可知,传感器的响应灵敏度为605.713 2(°)/mm(正向)。该值较大,说明此传感器响应灵敏。
线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标。在规定条件下,传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差(ΔYmax)与满量程(Y)的百分比,称为线性度(线性度又被称为“非线性误差”),该值越小,表明线性特性越好，其表达式如下:
由此算得线性度为0.045 9。该值较小,说明此传感器在一定的测量范围内具有较好的线性响应特性。
传感器的位移量与封装壳体的厚度有关,当封装外壳是厚壳体时,忽略光纤所受的轴向应力,只考虑横向应力,用于壳体的光纤加强材料的选择满足以下关系[:
式中:h为壳体上盖的厚度;p为所承受的压力;a为有效半径;E为弹性模量;S为位移量。由式(4)可得压力公式为:
由上式可算出压力,因而,该位移传感器可拓展为测量压力的传感器。
综上所得,该传感器在一定的测量范围内具有较高的响应灵敏度和良好的线性响应特性。此外,该传感器可拓展为压力传感器。
3 结 论
本文提出并研制了一种新型的基于光纤输出光斑旋转的光纤微弯位移传感器,介绍了该传感器的工作原理,观察并定性解释了实验现象,研究了光斑旋转角度与位移之间的关系。结果表明,该传感器结构简单、灵敏度高且线性度好。此外,该传感器可拓展为测压、测重等传感器,具有广阔的应用前景。