基于輸出光斑旋轉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中設計了一個光纖圈和光纖微彎傳感器。通過改變光纖圈的直徑，以獲得兩個光斑，通過移動光纖微彎傳感器，記錄輸出光斑旋轉情況，并分析了傳感器的移動位移和輸出光斑的旋轉角度之間的關系。實驗表明，光斑轉移角度與傳感器位移在一定范圍內存在良好的線性響應關系，因此可通過檢測光斑圖像的旋轉來實現位移量的測量。

關鍵詞：

位移； 微彎； 光纖傳感器； 光斑旋轉

中圖分類號： TP 212.1文獻標志碼： 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

光纖傳感器與傳統的各類傳感器相比有一系列獨特的優點，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境中等。所以，光纖傳感器已經成為機載光學傳感器的必然發展趨勢[1]。光纖傳感技術是伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種以光為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界信號（被測量）的新型傳感技術[2]。當這種外界信號為位移時，即構成了光纖位移傳感器。

光纖傳感器是最近幾年出現的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經有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量。外接的被測量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內傳輸的光在振幅、相位、頻率、偏振等方面發生變化。測量臂傳輸的光與參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發生變化，根據這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸的相位受外界影響的靈敏度很高，利用干涉技術能夠檢測出10-4rad的微小相位變化所對應的物理量[3]。利用光纖的可繞性和低損耗，能夠將很長的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。

本文介紹了一種基于光斑旋轉角度調制的新型光纖位移傳感器，其不需要像光纖光柵那樣復雜的光刻傳感結構，不需要精密的光斑接收轉換設備，而只需要一個簡單的CCD接收光纖出射的光斑圖像即可測量得到環境參數（位移、壓力、振動、頻率等），改變利用長度可實現傳感靈敏度可調等突出優點。本實驗是在文獻[4]的基礎上，對其結構進行了改進，用微彎傳感器代替了被壓縮的光圈2，與之相比，在實驗操作方面更為簡潔，微彎結構使其傳感的靈敏度更高，但對微彎傳感器的結構加工制造精度要求高。

1實驗原理及實驗裝置

光波是一種電磁波，光纖中的模是指電磁場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的邊界條件，解麥克斯韋方程組所得到的特征函數就是光纖中存在的模，相對應的特征值就是傳播常數β。正常情況下，光在光纖中沿軸向的傳播常數β應滿足[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。當光纖彎曲時，光在彎曲部分中進行傳輸，要保持同相位的電場和磁場在一個平面里，則越靠近外側，其速度就越大；當傳到某一位置時，其相速度就會超過光速，這意味著傳導模要變成輻射模，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決定了光纖承載的有效傳導模式的數量，且曲率半徑越小，損耗越大，其在光纖中傳輸的模式就越少。綜上所述，單模光纖中正常情況下只有基模傳輸，在本試驗系統中將一段光纖繞成一個圈，

由于彎曲損耗[7]改變了激光在光纖中傳輸模式數量，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構圖如圖1所示，圖中微彎結構由一對機械周期為Λ的齒形板組成，光纖從齒形板中間穿過，當上齒形板相對下齒形板產生位移L時會擠壓光纖使其產生周期性的彎曲。試驗中，為產生位移的變化，將一微位移平臺施加到移動齒形板上，最小變化位移為0.01 mm。為保證實驗數據的準確性，齒形板選用高強度、低彈性的材料，在條件許可時，將光纖粘貼在高強度、低彈性光纖加強材料上，通過光纖加強材料來調節光纖的彎曲程度，從而改變其對外界應力的響應靈敏度，同時可以有效保護光纖，延長其使用壽命[6]。

實驗系統裝置如圖2所示，氦氖激光器發出632.8 nm的激光經過聚焦透鏡耦合到單模光纖中，再通過繞制的光纖圈（改變激光在光纖中傳輸模式數量），將光纖從微彎光纖傳感器中穿過，用CCD接收光纖輸出端的激光光斑，最終將光斑圖像傳到PC里進行觀察、采集及儲存。當齒形板（產生位移L）擠壓光纖時，輸出光斑發生旋轉，用CCD采集對應的光斑圖像，再通過MATLAB軟件計算光斑的旋轉角度θ，可實現利用光斑角度θ來測量位移L的目的。

2實驗結果及討論

調節光纖圈的大小，使得輸出光斑變為兩個獨立分開且完整的光斑，然后壓縮可移動鋸齒板擠壓光纖，每移動一定位移之后，記錄下對應的輸出光斑圖像。

圖3為0～0.35 mm移動范圍內每隔0.05 mm移動齒形板（機械周期Λ為5 mm，齒數為6組）時，輸出光斑的變化情況。

可以看出：隨著位移的逐漸增大，光斑整體按順時針方向旋轉一定角度。這是由于當光纖受到周期性的擠壓彎曲時，其光斑受幾何效應與彈光效應的共同影響。幾何效應使得光斑隨著光纖扭轉而旋轉[8]。彈光效應則會影響介質的折射率，發生雙折射現象，進而使傳輸模能量空間分布變化，表現為光斑的旋轉[4]。同時在這一過程中，兩個光斑各自的光強有所衰減或增強，這是由于在光纖受壓的過程中，使傳輸模能量強度分布發生了變化。因為本實驗只利用光斑的旋轉現象來測量移動的位移，所以不考慮光強的變化現象。

圖4是用MATLAB軟件將圖3二值化處理后得出來的圖像，利用regionprops區域函數[9]來獲得兩個白色區域，用centroid求得兩中心點的坐標，有了兩點坐標后，用atan函數求出弧度，最后再將弧度轉化為角度，即可得出光斑角度值。

表1為0～0.18 mm移動范圍內每移動齒形板0.01 mm時，用MATLAB軟件算出的光斑角度值。

從表1中可看出每移動0.01 mm，光斑角度都會隨之減小一定角度。依據表1運用最小二乘法擬合出對應的曲線，如圖5所示。

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

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

δ=ΔYmaxY×100%

（3）

由此算得線性度為0.045 9。該值較小，說明此傳感器在一定的測量范圍內具有較好的線性響應特性。

傳感器的位移量與封裝殼體的厚度有關，當封裝外殼是厚殼體時，忽略光纖所受的軸向應力，只考慮橫向應力，用于殼體的光纖加強材料的選擇滿足以下關系[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量壓力的傳感器。

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

3結論

本文提出并研制了一種新型的基于光纖輸出光斑旋轉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驗現象，研究了光斑旋轉角度與位移之間的關系。結果表明，該傳感器結構簡單、靈敏度高且線性度好。此外，該傳感器可拓展為測壓、測重等傳感器，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]胡建良.光纖微位移傳感器研究[D].合肥：合肥工業大學，2008.

[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）：124132.

[3]丁小平，王薇，付連春.光纖傳感器的分類及其應用原理[J].光譜學與光譜分析，2006，26（6）：11761178.

[4]王華，吳駿，查媛，等.基于光纖輸出光斑旋轉的位移傳感器[J].光學技術，2015，41（1）：8992.

[5]HARM F M，BARTON J S，JONES J D C.Bend loss in buffered overmoded optical fibre：LP11mode and ‘whispering gallery mode interaction[J].Electronics Letters，1994，30（17）：14331434.

[6]馬賓，隋青美.基于光纖微彎傳感器的汽車動態稱重系統設計[J].傳感技術學報，2010，23（8）：11951200.

[7]李曉沛，鄒亞琪，馬軍山.光纖宏彎損耗與溫度傳感的理論分析[J].光學儀器，2012，34（2）：4449.

[8]范宇強，袁余峰，魏婉婷，等.基于LP21模式的光纖彎曲傳感器[J].光學學報，2012，32（11）：112800516.

[9]何希平，張瓊華.基于MATLAB的圖像處理與分析[J].重慶工商大學學報：自然科學版，2003，20（2）：2226.

（編輯：劉鐵英）