光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙同剛， 王 勤， 王凱鵬

(北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 北京 100876)

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵的中心波長(zhǎng)在外界環(huán)境(如應(yīng)力、溫度等)的影響下會(huì)發(fā)生改變的特性而制作出來(lái)的一種性能優(yōu)良的敏感器件。相比于傳統(tǒng)的傳感技術(shù)，光纖光柵傳感器具有結(jié)構(gòu)輕便、溶解損耗小、抗電磁干擾、使用安全可靠、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優(yōu)點(diǎn)，因此在光纖通信和傳感領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

光纖光柵是光纖通信系統(tǒng)、光電檢測(cè)技術(shù)、光電子器件、傳感技術(shù)等相關(guān)課程中都要介紹的重要光學(xué)器件，但是在實(shí)驗(yàn)配備中，由于光纖光柵易壞、價(jià)格相對(duì)較貴，所以在本科教學(xué)中，相關(guān)的配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備十分少見(jiàn)。本實(shí)驗(yàn)中心針對(duì)這種情況，自主研發(fā)了光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)其一些重要物理參數(shù)(如應(yīng)變、溫度、壓力)進(jìn)行了測(cè)量，已經(jīng)應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性?xún)r(jià)比高，重復(fù)性好，教學(xué)效果良好[3-4]。

1 光纖光柵理論分析方法

1.1 光纖光柵理論

光纖光柵中，布拉格(Bragg)光柵是一種最常用的光柵。根據(jù)導(dǎo)波光學(xué)，在光纖光柵中，一級(jí)衍射最重要，當(dāng)滿(mǎn)足相位匹配條件時(shí)，Bragg光柵的基本特征表現(xiàn)為一個(gè)反射式光學(xué)濾波器，反射峰值波長(zhǎng)稱(chēng)為布拉格波長(zhǎng),也稱(chēng)中心波長(zhǎng),或諧振波長(zhǎng)。布拉格波長(zhǎng)λB滿(mǎn)足關(guān)系式[5-6]：

λB=2nΛ

(1)

其中，n為光纖的有效折射率,Λ為柵距。

另外，利用光纖光柵模耦合方程，可以得到特定光纖光柵的頻譜響應(yīng)曲線(xiàn)，從而得到反射系數(shù)和帶寬。

1.2 光纖光柵的傳感特性

光纖光柵中心波長(zhǎng)具有對(duì)應(yīng)力和溫度敏感的特性，應(yīng)力、溫度、濃度等外界環(huán)境變化將引起光纖有效折射率或光柵周期等參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)光柵中心波長(zhǎng)的變化，就可以得到周?chē)h(huán)境參量的變化。

1.2.1 中心波長(zhǎng)偏移與溫度變化關(guān)系

溫度變化導(dǎo)致布拉格中心波長(zhǎng)的偏移，實(shí)際上是利用光纖光柵折射率對(duì)溫度的敏感性和光纖熱脹冷縮的物理特性。當(dāng)外界溫度變化時(shí)，一方面會(huì)引起介質(zhì)的熱脹冷縮，從而導(dǎo)致光纖光柵的柵距變化;另一方面由于熱光效應(yīng)致使介質(zhì)折射率變化。因此，溫度變化也會(huì)導(dǎo)致光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移[7-8]。

中心波長(zhǎng)偏移隨溫度變化關(guān)系通常用經(jīng)驗(yàn)公示來(lái)描述：

(2)

其中，δλB表示溫度起伏造成的中心波長(zhǎng)偏移量，α為光纖材料的熱伸展系數(shù)，ΔT為溫度的變化量，n為光纖的有效折射率。

1.2.2 中心波長(zhǎng)偏移與應(yīng)力關(guān)系

光柵中心波長(zhǎng)偏移量和光纖單位伸長(zhǎng)量的關(guān)系通常也用如下經(jīng)驗(yàn)公式描述[9-10]：

(3)

其中，ε表示光纖的軸向伸長(zhǎng)量，μ為泊松系數(shù)(橫向變形系數(shù))，Pij為光彈系數(shù)。若施加應(yīng)變均勻，則(3)可簡(jiǎn)化為

(4)

式(4)表明，光纖中心波長(zhǎng)的變化與外加力間呈線(xiàn)性關(guān)系，作用力和光纖光柵材料等因素將影響波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。

2 光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)量

2.1 光纖光柵溫度和應(yīng)力調(diào)諧的實(shí)驗(yàn)裝置

光纖光柵溫度和應(yīng)力調(diào)諧的實(shí)驗(yàn)裝置[11-12]分別如圖1和圖2所示。寬帶光源LED發(fā)出的光信號(hào)由環(huán)形器的端口1進(jìn)入，然后由端口2輸出至光纖光柵，由光纖光柵反射后經(jīng)環(huán)形器端口2至端口3最后導(dǎo)入光譜分析儀，待測(cè)量量(溫度或應(yīng)力)施加在以光纖光柵為核心元件的傳感頭上。

圖1 溫度改變實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 應(yīng)力改變實(shí)驗(yàn)裝置

當(dāng)傳感光柵受到外部微擾時(shí)，反射光譜的特性就會(huì)發(fā)生變化，如峰值位置的移動(dòng)及光譜形狀的變化等，這樣就能夠利用光譜儀根據(jù)光反射譜特性的變化來(lái)獲得光纖傳感光柵上受外部作用的信息，進(jìn)而達(dá)到感知待測(cè)物理量的目的。

特別需要指出的是，溫度傳感實(shí)驗(yàn)中，光纖光柵封裝在一個(gè)溫度加熱槽中，該槽的溫度可控,從而控制光纖光柵的溫度。原有的應(yīng)力傳感實(shí)驗(yàn)裝置，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生用力過(guò)大而將光柵拉斷，造成無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取的現(xiàn)象。為此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，將光柵的一端通過(guò)金屬壓片壓緊在一個(gè)可沿光纖光柵傳光軸方向移動(dòng)的一維滑塊上，該滑塊基座上有一個(gè)限制滑塊位置的調(diào)整桿，通過(guò)限制滑塊的位置，避免因給光纖光柵施加過(guò)大拉力時(shí)，使光纖光柵斷裂和損壞。滑塊與承重物的托盤(pán)用金屬細(xì)絲相連，通過(guò)滑塊另一側(cè)的托盤(pán)內(nèi)加放重物來(lái)拉動(dòng)滑塊，滑塊沿傳光軸拉伸光纖光柵，從而給光柵施加軸向拉力。教學(xué)實(shí)踐證明，設(shè)備改進(jìn)后，光柵的重復(fù)使用次數(shù)明顯增多。

該套設(shè)備在沒(méi)有加溫和加力的情況下，測(cè)得的基本數(shù)據(jù):中心波長(zhǎng): 155.26 nm；帶寬：0.1 nm。

2.2 應(yīng)力傳感實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，在容器中添加砝碼，每次加25 g，使得光纖布拉格光柵的伸長(zhǎng)量發(fā)生變化，從光譜分析儀上可以發(fā)現(xiàn)中心波長(zhǎng)發(fā)生了漂移，記錄下每一次的中心波長(zhǎng)。逐漸增加砝碼的質(zhì)量，使光纖布拉格光柵的伸長(zhǎng)量增加，中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，當(dāng)增加到350 g時(shí)，停止增加砝碼，因?yàn)橐呀?jīng)臨近應(yīng)變的最大調(diào)諧值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 光纖布拉格光柵應(yīng)力傳感測(cè)量數(shù)據(jù)

繪制的曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 光纖光柵中心波長(zhǎng)-光柵的受力關(guān)系曲線(xiàn)

擬合表1中的數(shù)據(jù)，得到中心波長(zhǎng)λB與砝碼質(zhì)量m的關(guān)系式為

λB=0.0124m+1552.3

可以看出，光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)偏移與其所受的力(此處為重力mg)變化大致呈線(xiàn)形關(guān)系，符合δλb=λB(1-Pe)Δε規(guī)律。

2.3 溫度傳感實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，讀出室溫下(30 ℃)的初始布拉格波長(zhǎng)值為1 552.26 nm。緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器，設(shè)定好溫度控制儀的上下限電壓，為每個(gè)溫度值輸出合適的電壓。每隔10 ℃記錄中心波長(zhǎng)值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 光纖布拉格光柵溫度傳感測(cè)量數(shù)據(jù)

由表2中的數(shù)據(jù)繪制的曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 光纖光柵中心波長(zhǎng)-溫度關(guān)系曲線(xiàn)

擬合得到中心波長(zhǎng)與溫度t的關(guān)系式為

λB=0.013 1t+1 551.7

可以看出，光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)偏移與其所受的溫度變化大致呈線(xiàn)形關(guān)系，符合線(xiàn)性關(guān)系。從圖4可以看出，線(xiàn)性擬合度較好，結(jié)論與理論分析完全符合。

3 結(jié)論

光纖光柵具有可靠性好、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，然而在本科教學(xué)中，光纖光柵的相關(guān)配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備十分少見(jiàn)。為此，自主設(shè)計(jì)和研發(fā)了光纖布拉格光柵傳感實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)其一些重要物理參數(shù)(如應(yīng)變、溫度)進(jìn)行了測(cè)量。該實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該實(shí)驗(yàn)裝置性?xún)r(jià)比高、重復(fù)性好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，教學(xué)效果良好。

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