結合光電振蕩器的高精度光纖軸向應變傳感研究

楊 帆，曾 珍，章令杰，周曉軍

(電子科技大學光電科學與工程學院 成都 610054)

應變傳感在隧道、橋梁、大壩、滑坡、地面沉降等大型基礎設施和特殊地貌區的結構健康監測和災害預警中具有重要作用。傳統的電域應變監測技術主要依靠應變片或振弦式應變傳感實現，其中應變片在潮濕、腐蝕環境下易使零點發生漂移，并且易受電磁干擾的影響，不適用于長期檢測；振弦式應變傳感由于鋼弦絲處于張緊狀態易發生蠕變，因此也不利于長期使用。

與傳統的電域應變監測技術相比，光纖傳感技術具有抗電磁干擾、傳輸傳感一體化、耐高溫、耐腐蝕、耐潮濕、靈敏度高及體積小等優點，特別適用于易燃、易爆、易腐蝕、潮濕和強電磁干擾環境。近年來，研究人員提出了大量用于應變傳感的光纖傳感方案，如光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, FBG)[1-2]、光纖長周期光柵[3]、光學干涉法[4]、光纖布里淵散射及光纖拉曼散射[5]等。上述方案通常通過光譜分析儀(optical spectrum analyzer,OSA)來檢測光功率變化或波長偏移，實現應變傳感，但是由于OSA 的掃描速率和波長分辨率有限，因此其解調速度和分辨率相對較差。

近年來，光電振蕩器(optoelectronic oscillator,OEO)在傳感、測量和檢測等領域獲得了越來越多的關注[6-8]。在這些應用中，首先將傳感參量的變化映射到OEO 輸出微波信號的頻率變化，再利用電頻譜分析儀(electronic spectrum analyzer, ESA)對微波信號進行頻率解調，可以極大地提高傳感系統的解調速度和分辨率。目前，基于OEO 的光纖應變傳感系統通常利用FBG 作為傳感探頭，其基本原理為應變會導致FBG 諧振波長的漂移，從而引起OEO 輸出微波頻率的變化[9-11]。文獻[9]提出了一種基于雙頻OEO 的橫向應變傳感系統，采用相移FBG(phase-shifted FBG, PS-FBG)作為傳感探頭，在其上施加橫向應變，引入雙折射效應，光波的兩個正交偏振分量形成兩個具有不同中心頻率的微波光子濾波器，從而使得OEO 產生兩個不同頻率的微波信號，其頻率差與施加在PS-FBG 上的橫向應變呈線性映射關系，實驗測得其靈敏度和最小可檢測應力分別為～9.73 GHz/(N/mm)和2.06×10-4N/mm。文獻[10]提出了一種基于保偏光纖布拉格光柵Fabry Perot 濾波器的雙頻OEO，用于高靈敏度和高速軸向應變傳感，實驗測得軸向應變靈敏度高達100.6 MHz/εμ。文獻[11]采用普通FBG 作為應變傳感探頭，FBG 位于光源與OEO 環路之間，用于改變輸入OEO 環路的光波中心波長，造成OEO 環路總延時的改變，從而改變OEO 輸出微波信號的頻率，實驗測得其靈敏度為58 Hz/εμ。

本文提出了一種利用普通單模光纖作為應變傳感頭的結合OEO 高精度光纖軸向應變傳感系統，并對其進行了實驗研究。

1 實驗原理

圖1a 為本文提出的結合OEO 的高精度光纖應變傳感系統結構。放大自發輻射(amplified spontaneous emission, ASE)光源發出的寬譜光，經過光學帶通濾波器(optical bandpass filter, OBPF)和偏振控制器(polarization controller, PC)后，在雙輸出馬赫曾德爾電光強度調制器(dual-output Mach-Zehnder electro-optic intensity modulator, DOMZM)中被OEO 環路反饋的微波信號所調制，其中DOMZM 工作在線性偏置點。DOMZM 的兩路輸出信號分別通過具有不同長度的傳感光纖1 和傳感光纖2，在50∶50 光耦合器處合路，構成M-Z 干涉儀結構，實現對寬譜光信號的分割。寬譜光信號經過色散補償光纖(dispersion compensation fiber,DCF)傳輸，不同波長的信號獲得不同延時量，再由摻鉺光纖放大器(erbium doped fiber amplifier,EDFA)對光信號的功率進行補償，經過光電探測器(photodetector, PD)形成無限抽頭延遲結構的帶通微波光子濾波，實現OEO 的選模。產生的微波信號經過電放大器(electrical amplifier, EA)放大后，經過50∶50 電耦合器(electrical coupler, EC)輸出，一路信號反饋輸入至DOMZM 中構成閉合振蕩回路，一路信號輸入至ESA 進行信號頻率檢測。軸向應變施加裝置如圖1b 所示，傳感光纖1 或傳感光纖2 的一端通過固定片進行固定，另一端繞過滑輪通過懸吊砝碼施加軸向應變。

圖1 結合OEO 高精度光纖應變傳感系統

OEO 的開環頻率響應表達式為[12]：

式中， Dω為DCF 的總色散量(單位為ps2)； ωe為角頻率； υ為光波在光纖中的傳輸速度； ΔL為M-Z干涉儀兩臂的長度差； δω為寬譜光的帶寬。從式(1)可以看到，OEO 的開環頻率響應是一個sinc 函數，具有帶通特性。當ωe±ΔL/υDω=0時，F(ωe)達到最大值，峰值角頻率為：

當OEO 環路的凈增益大于0 dB 時，起振頻率即為 fosc。從式(2)可以看到， fosc與 ΔL呈線性對應關系。因此，若在傳感光纖1 或傳感光纖2 上施加軸向應力改變 ΔL，則OEO 輸出的微波信號頻率發生變化，從而達到光纖軸向應變傳感的目的。

2 實驗結果及分析

實驗中，ASE 光源(Golight, ASE-C+L LIGHT SOURCE)輸出中心頻率為1 565 nm 的寬譜光，3 dB 帶寬為90 nm。OBPF(Santec, OTF-970)的中心頻率和帶寬分別設置為1 550 nm 和5 nm。DOMZM(EOSPACE, AX-1×2-0MVS-40-PFA-SFA)的3 dB 帶寬為20 GHz，半波電壓為3.4 V。傳感光纖1 和傳感光纖2 為普通單模光纖，無軸向應力時，長度差ΔL為2 cm。DCF 長度和總色散分別為11.7 km和1 936.6 ps2。EA(Mini-Circuits, ZVA-213-S+)的3 dB帶寬為18 GHz，增益為26 dB。PD(Agilent, 11982A)的3 dB 帶寬為13 GHz，響應度為300 V/W，飽和輸入光功率為10 dBm。EDFA(Amonics, AEDFAIL-23-B-FA)用以補償光鏈路中光功率損耗，保證OEO 腔內凈增益能夠達到0 dB 以上實現起振。由式(2)計算得到 fosc理論值約為8.086 8 GHz。

使用矢量網絡分析儀(VNA)測得的OEO 開環頻率響應如圖2 所示，其中心濾波頻率為8.078 4 GHz，頻率響應曲線為sinc 函數，與理論分析一致。

圖2 OEO 開環頻率響應測試結果

閉合OEO 回路，調節EDFA 增益使得腔內凈增益大于0 dB，OEO 開始振蕩，并輸出微波信號。將較長的傳感光纖安裝于軸向應變施加裝置上，光纖的自由端懸掛不同重量的砝碼用以施加軸向應力，測量得到的OEO 輸出微波信號頻率如圖3 所示。由于 ΔL隨著軸向應力的增大而增大，OEO 輸出微波信號的頻率也隨之增大。圖4 為OEO 輸出微波信號頻率與軸向應變量(將砝碼重量換算成應變值)的關系。由圖4 可知，微波信號頻率與應變大小保持線性增長關系，線性擬合曲線的斜率即傳感系統的靈敏度，其值為4.671 21×10-1GHz/με，線性度為0.998 95。將較短的傳感光纖安裝于應變施加裝置上，并施加不同的軸向拉力，測量得到的OEO 輸出頻譜如圖5 所示。由于 ΔL隨著軸向應變的增大而減小，OEO 輸出微波信號的頻率也隨之減小。圖6 為OEO 輸出微波信號頻率與軸向應變量的關系，靈敏度為-4.483 88×10-4GHz/με，線性度為0.998 41。

圖3 較長的傳感光纖施加不同軸向應力時的OEO 輸出頻譜

圖4 較長的傳感光纖施加不同軸向應力時的OEO 輸出頻率

圖5 較短的傳感光纖施加不同軸向應力時的OEO 輸出頻譜

圖6 較短的傳感光纖施加不同軸向應力時的OEO 輸出頻率

微波光子濾波器的通帶覆蓋多個模式，因此光電振蕩器工作在多模狀態。但由于模式競爭，功率最高的起振模式對應的頻率為最靠近微波光子濾波器通帶峰值增益的頻率。因此，只要保持OEO 環路中除了傳感光纖以外的光鏈路(包括：延遲量和色散量等)以及環內增益的穩定，功率最高的起振模式頻率與軸向應變大小就能保持良好的線性對應關系。

3 結 束 語

本文提出了一種利用普通單模光纖作為傳感頭的結合OEO 高精度光纖軸向應變傳感系統，并進行了實驗研究。該傳感系統利用ASE 光源、DOMZM和兩段長度不一致的光纖構成的M-Z 干涉儀，在OEO 腔內實現無限抽頭延遲結構的微波光子單通帶濾波進行選模。當M-Z 干涉儀任意一臂的光纖施加軸向應變時，干涉儀兩臂的長度差發生變化，從而改變OEO 的輸出微波信號頻率，實現軸向應變與OEO 輸出微波信號頻率之間的線性映射，達到軸向應變傳感的目的。實驗結果表明，當較長的傳感光纖安裝于應變施加裝置上時，傳感靈敏度為4.671 21×10-4GHz/με，線性度為0.998 95；當較短的傳感光纖安裝于應變裝置上，傳感靈敏度為-4.483 88×10-4GHz/με，線性度為0.998 41。該系統對軸向應變傳感具有高靈敏度和高線性度，可應用于建筑、邊坡、堤壩等的應變檢測。