光纖壓力傳感器的性能研究

劉　昕,喬飛帆,曹麗丹,劉　維

(首都師范大學 物理系，北京 100048)

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光纖壓力傳感器的性能研究

劉昕,喬飛帆,曹麗丹,劉維

(首都師范大學 物理系，北京 100048)

摘要：利用自制的全光纖馬赫-曾德爾干涉儀，對壓力引起的光功率的變化進行了測量和分析，給出了該系統相干檢測最佳工作范圍是5~13 N, 靈敏度為-0.130 0 μW/N. 在不同溫度變化范圍內，隨著壓力的增加，光功率分別以0.223 4 μW/N到0.482 3 μW/N的變化率減小.

關鍵詞：全光纖馬赫-曾德爾干涉儀；壓力傳感器；溫度；靈敏度；多信號檢測

1引言

與傳統的壓力傳感器相比，光纖壓力傳感器具有體積小、重量輕、不受電磁干擾和可用于易燃易爆的環境中等特點，以它為基礎構成的分布式壓力傳感系統,可以實現信號的實時監控[1-3]. 由于具有抑制光源噪聲和模式噪聲的優勢，光纖馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀在高精度測量中應用越來越廣泛，它可以對溫度、壓力、磁場、電流和超聲波等多種物理量進行測量[4-5].

本文利用自制的全光纖馬赫-曾德爾干涉傳感系統，對壓力信號引起的光功率變化進行了測試，在確定該系統壓力工作范圍的基礎上，得到了不同溫度下，光功率隨壓力變化的情況；該項工作對于光纖傳感器的多信號檢測應用有參考價值.

2理論分析

一般來說，壓力等外界物理量都能直接影響3個光纖參量從而影響其中光波的相位. 具體可以分為以下3個方面[6]：

1)縱向應變(光纖被拉長)引起的相位變化為

(1)

2)橫向應變(光纖被擠壓)引起的相位變化為

(2)

3)光彈效應(橫縱綜合影響)引起的相位變化為

(3)

3測試系統

光纖馬赫-曾德爾光纖干涉儀系統框圖[6-7]如圖1所示. 從激光器發出的光，經3 dB耦合器之后，其中一束光在參考臂中傳播，另外一束在傳感臂中傳輸，壓力信號加在傳感臂，經過第2個3 dB耦合器的光將信號送到光功率計，根據雙光束干涉原理，2路光的光強分別為[8]

圖1　光纖馬赫-曾德爾干涉儀壓力傳感系統框圖

(4)

(5)

由于I∝P，故將(4)~(5)式轉化為

(6)

(7)

式(6)和(7)中，Pm為輸出光功率幅值，Pm0為輸入的光功率幅值，α為光強衰減因子，C為系統參量，Δφ表示待測量變化引起的參考臂與傳感臂間的相位差. 考慮(3)式中的相位差，3 dB耦合器合波后的光強度為

(8)

(9)

光功率為

(10)

(11)

當相位差較小時，有輸入的壓力信號與輸出的光功率之間呈線性關系.

系統實物圖如圖2所示. 光從光源發出，經過Y型光耦合器后分為2路. 傳感臂通過壓力裝置施加不同壓力信號，參考臂不施加任何信號，2路光纖通過X型光耦合器合為1路，并通過光功率計檢測其光功率變化. 壓力裝置由1個壓力傳感器與1個施力裝置構成，傳感光纖放置在設置好的壓力傳感器與施力裝置之間，當不斷向下旋轉施力裝置時，光纖所承受的壓力將通過壓力傳感器反應在數顯儀表上.

圖2　光纖馬赫-曾德爾干涉儀壓力傳感系統實物圖

4測試結果與分析

系統性能測量結果見圖3. 當壓力信號小于5 N時，擬合得到線性關系為y=-0.045 1x+2.931 2，其檢測靈敏度為-0.045 1 μW/N；當壓力信號在5~13 N范圍內時，線性關系為y=-0.130 0x+3.372 2，靈敏度為-0.130 0 μW/N；而當壓力大于13 N時，輸出信號受噪聲影響較大，線性關系為y=-0.010 7x+1.840 7，靈敏度僅為-0.010 7 μW/N. 由此可以看出當壓力大于5 N小于13 N時，該系統壓力檢測具有較好的效果.

一定溫度條件下改變壓力時，隨著壓力的增大，光功率減小，如圖4所示. 當溫度分別為25，33，40，51，61,65 ℃時，其靈敏度分別為-0.223 4，-0.418 8，-0.294 3，-0.482 3，-0.402 3,-0.376 8 μW/N，相關系數均大于0.95,具體線性關系式如圖4所示. 圖5給出了靈敏度隨溫度變化的曲線，可以看出，系統的溫度分辨率不高，需要更有效的相位控制器和更好的溫度調控系統.

圖3　相干檢測壓力擬合曲線

圖4　不同溫度條件下壓力信號的比較

圖5　不同溫度時壓力靈敏度

5結論

本文光纖調制技術，利用自制全光纖馬赫-曾德爾干涉系統，進行了壓力信號的檢測，得到如下結論：

1)該系統對不同范圍的壓力信號，靈敏度各不相同，當壓力在0~5 N范圍內，其靈敏度為-0.045 1 μW/N，相關系數為0.951 4；當壓力在5~13 N范圍內，其靈敏度為-0.130 0 μW/N，相關系數為0.967 9；當壓力在13 N以上時，其靈敏度僅為-0.010 7 μW/N，相關系數0.745 2. 即壓力信號在5~13 N之間時，系統測試效果最好.

2)對不同溫度下的壓力變化進行測量，當溫度從25 ℃到65 ℃變化時，壓力信號從0到10 N變化，系統靈敏度在0.223 4 ~0.482 3 μW/N之間變化，說明該系統對溫度變化的感應并不靈敏.

參考文獻：

[1]董天奇，魏達，雷宇，等. 基于Bragg光纖光柵傳感器的檢測系統設計[J]. 物理實驗，2010，30(2)：22-26.

[2]劉躍輝,張旭蘋,董玉明. 光纖壓力傳感器[J]. 光電子技術,2005,25(2):124-132.

[3]肖軍,王穎. 光纖傳感技術的研究現狀與展望[J]. 機械管理開發,2006(6):80-81.

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[5]孫學軍. 基于全光纖馬赫-澤德爾干涉儀的溫度傳感器的研究[D]. 濟南：山東大學，2007：16-20.

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[7]滕道祥. 光纖傳感器的基本工作原理及制作[J]. 物理實驗,2010,30(8):36-38.

[8]傅鈺. 電光相位調制器在干涉型光纖傳感器中的應用[D]. 大連：大連理工大學,2013.

[責任編輯：郭偉]

Properties of fiber optic pressure sensor

LIU Xin, QIAO Fei-fan, CAO Li-dan, LIU Wei

(Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

Abstract:The fiber optic pressure sensing system based on Mach-Zehnder interferometer technology was investigated. All-fiber Mach-Zehnder interferometer system was built and the optimum pressure range was given from 5 N to 13 N with the sensitivity of -0.130 0 μW/N. The stress induced changes in the optical power were measured and analyzed under different temperature conditions. The results showed that the optical power decreased with increasing pressure and the system sensitivities were different from -0.223 4 μW/N to -0.482 3 μW/N.

Key words:all optical fiber Mach-Zehnder interferometer; pressure sensor; temperature; sensitivity; multi-signal detection

中圖分類號：O436.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)02-0034-04

作者簡介：劉昕(1993-)，女，天津人,首都師范大學物理系2011級本科生.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(No.61371055)

收稿日期：2014-06-03

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

導師簡介：劉維(1965-)，女，北京人，首都師范大學物理系副教授，博士，主要從事應用光學方面的研究.