基于法布里-珀羅干涉的光纖傾角傳感技術研究

王 帥,吳 越,宋言明,李 紅,孟凡勇,祝連慶

(1.北京信息科技大學 光電測試技術及儀器教育部重點實驗室,北京 100192；2.北京信息科技大學 光纖傳感與系統(tǒng)北京實驗室,北京 100016)

1 引 言

隨著科學技術和生產(chǎn)生活的不斷發(fā)展,角度測量越來越廣泛的應用于科研、工業(yè)生產(chǎn)等許多領域,技術水平和測量準確度也在不斷提高[1],因此傾角傳感器被廣泛應用于道路檢測[2],橋梁監(jiān)測[3],建筑物健康監(jiān)測[4],國防工業(yè)[5],航空航天[6],科學研究[7]等領域。與傳統(tǒng)傳感器相比,光纖傾角傳感器有著重量輕、體積小、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點[8]。

光纖傾角傳感器主要分為光纖光柵式和光纖干涉式傾角傳感器。光纖光柵傾角傳感器[9]主要是利用光纖布拉格光柵(FBG)制作的,當傾角發(fā)生變化時,通過改變FBG柵區(qū)的折射率從而引起反射光譜的波長漂移,通過對波長漂移的分析來測量傾角。H.Y.Au[10]等人在2011年提出一種二維傾角傳感器,它是將四根刻寫FBG的光纖分別粘貼在正方形金屬框架的四個臂中心點上。圓柱體的重心與光纖的交點重合,因此在方框的中心。當傳感器傾斜時,根據(jù)四個FBG反射光譜的波長漂移可以實現(xiàn)角度測量。該傳感器傾角靈敏度0.0395 nm/°。基于FBG的傾角傳感器靈敏度較低,且FBG的成本較高。光纖干涉式傾角傳感器是基于光學干涉原理構造的,主要有邁克爾遜(Michelson)干涉式[11],馬赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉式[12],以及F-P干涉式[13]。2011年,Amaral[14]等人基于Michelson干涉結構設計出了一種光纖傾角傳感器。傾角傳感器由單模光纖和光纖拉錐組成,通過對測試結果解調分析得到其傾角響應特性。Cheng-Ling Lee[15]等人在2014年提出了一種基于 Mach-Zehnder干涉儀的光纖傾角傳感器。它包括光纖錐體和鐵球,并在鐵球兩端固定上錐體,當傾角變化時鐵球拉伸光纖錐體,從而導致反射光譜變化,實現(xiàn)傾角測量。該傳感器正方向的傾角靈敏度為0.125 nm/°。基于光纖干涉式傾角傳感器一般結構較為復雜,靈敏度普遍較低。Yiyang Zhuang[16]等人在2018年提出一種基于F-P腔的光纖傾角儀,它是基于擺式結構,雙線下固定一個長方體形狀的質量塊,側面固定有光纖端面,當傳感器發(fā)生傾斜時,F-P腔長就會發(fā)生改變,通過測量波長變化獲得傾角值。

在之前的研究基礎上[13,16],本文提出了一種基于F-P干涉的光纖傾角傳感器。該傳感器為“單模光纖-毛細管-單模光纖”結構,毛細管一端放入端面鍍金膜的單模光纖,另一端放入預切割好的單模光纖,并將毛細管和單模光纖用環(huán)氧樹脂膠固定在金屬片上。該傳感器利用空氣腔長的改變引起波長漂移,從而實現(xiàn)傾角測量。在0°～10°測量范圍內,傾角靈敏度為0.2031 nm/°；在45 ℃～49 ℃溫度范圍內,溫度靈敏度為4.777 nm/℃。

2 實驗原理

2.1 光纖F-P干涉原理

本文介紹的傾角傳感器是基于光纖F-P干涉原理制作的。圖1所示為光纖F-P干涉原理示意圖,由圖1可知,當輸入光經(jīng)過單模光纖L1傳輸?shù)竭_端面時,部分光被反射回來；剩余光經(jīng)過空氣腔傳輸?shù)絾文９饫wL2,部分光被端面反射回來。由于反射回來的兩束光經(jīng)過的路徑不同,因此兩束反射光之間存在光程差,相互疊加發(fā)生F-P干涉。

圖1 光纖F-P干涉原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of fiber F-P interference principle

F-P干涉反射光強IR表達式如下:

(1)

式中,I0為入射光強;R1和R2分別為單模光纖L1和L2的反射率;φ為兩個端面反射出的光的初始相位差,其中:

(2)

式中,n0為諧振腔的折射率;d為空氣腔長;λ為波長。當相位差φ=2mπ(m為整數(shù))時,干涉光強有最大值；當φ=(2m+1)π(m為整數(shù))時,干涉光強有最小值。根據(jù)F-P干涉理論,干涉相位最強的中心波長λm可以表示為:

(3)

根據(jù)公式(3)可知,隨著F-P干涉腔長度的變化,干涉相位的中心波長會發(fā)生漂移。

2.2 傾角傳感原理

圖2所示為傾角傳感結構示意圖。將單模光纖和毛細管用膠水固定在金屬基底上,在金屬基底尾端固定一質量塊。毛細管內徑略大于單模光纖直徑，并約束兩單模光纖在同一水平面發(fā)生相對位移。將該結構等效為懸臂梁結構。兩個單模光纖端面反射光形成F-P干涉。當傳感結構發(fā)生傾斜時,兩個單模光纖間距發(fā)生變化。

圖2 傾角傳感結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of inclination sensing structure

對圖2所示的懸臂梁結構進行受力分析如圖3所示。

圖3 懸臂梁結構受力分析示意圖Fig.3 Force analysis of cantilever beam structure

對圖3分析可知,當傾角為0°時,所受重力G等于沿桿方向的拉力,壓力F為0 N,空氣腔長為d；當傾角發(fā)生改變時,壓力F為:

F=Gsinθ

(4)

其中,θ為傾斜角度。由于受到壓力作用,金屬片發(fā)生形變,空氣腔長變?yōu)閐+Δd。對懸臂梁結構進行仿真分析,仿真選用的金屬片為鋁合金材質,長為70 mm,寬為6 mm,厚度為2 mm,兩固定圓孔直徑為3.5 mm。單模光纖為玻璃材質,纖芯直徑是125 μm。兩單模光纖端面初始間距(即空氣腔長)為400 μm。當對其尾端施加垂直端面向下的壓力時,兩端面間距會發(fā)生變化。圖4展示了懸臂梁結構分別受到0.1 N、0.3 N、0.5 N、0.7 N壓力時的靜態(tài)結構分析圖。對圖4所示的仿真進行分析,結果如表1所示。

(a)0.1 N

(b)0.3 N

(c)0.5 N

(d)0.7 N圖4 懸臂梁結構受到不同壓力時的靜態(tài)結構分析圖Fig.4 Static structure analysis diagram of cantilever beam subjected to different pressures

由表1可知,當傾角變化時,懸臂梁尾端受到壓力產(chǎn)生形變,因此傳感器的空氣腔長會發(fā)生改變,從而引起光譜儀中反射光譜發(fā)生變化,引起波長漂移。通過對波長漂移分析,可以實現(xiàn)傾角的測量。

表1 不同受力情況下仿真結果分析Tab.1 Simulation results analysis under different stress conditions

3 實驗和分析

光纖傾角傳感器主要由兩根單模光纖和毛細管組成,圖5所示為光纖F-P傾角傳感器實物圖。毛細管的內徑為150 μm,預先去除掉涂覆層。兩根單模光纖端面均用切割刀切平,且L2端面鍍上一層金膜,目的是增大其反射率,增強反射光功率和消光比。金屬片為鋁合金材質,長為70 mm,寬為6 mm,厚度為2 mm,兩固定圓孔直徑為3.5 mm。實驗用的膠水為環(huán)氧樹脂膠。傳感器的制作步驟為:首先,將毛細管點膠固定在金屬片中間位置；然后,將L2穿入毛細管的一端,并用膠水固定；最后,在毛細管的另一端放入單模光纖L1,L1也固定在金屬片上,L1的另一端與光譜儀相連,通過調整L1端面在毛細管中的位置改變腔長大小,從而改變光譜儀中的反射光譜,將L1用膠水固定。將制作好的傳感器靜置固化24 h。

圖5 光纖F-P傾角傳感器實物圖Fig.5 Optical fiber F-P inclination sensor physical picture

圖6是傾角傳感實驗系統(tǒng)圖。采用摻鉺光纖放大器產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射(ASE)作為光源,波長范圍在C+L波段,輸出功率為50 mW。使用光學光譜分析儀(OSA)觀測傳感器反射光譜的波長漂移。光環(huán)形器(OC)用于連接光源、光譜儀和傳感器。寬帶光源發(fā)出的光通過光環(huán)形器1端口傳輸?shù)絻A角傳感器,傾角傳感器反射回來的光通過2端口返回,環(huán)形器3端口連接光學光譜分析儀進行觀測。實驗時設置光譜儀的波長測量范圍為1530～1560 nm。傾角位移平臺角度調節(jié)范圍為-15°～+15°。實驗在精密光學平臺上進行,傾角傳感器始終處于同一個水平位置上。

圖6 光纖F-P傾角傳感器角度實驗系統(tǒng)Fig.6 Optical fiber F-P angle sensor angle experiment system

將傳感結構固定在傾斜位移平臺上,傳感結構尾端固定一質量塊,該質量塊采用不銹鋼材質,直徑為3.00 cm,質量為54.37 g。傳感結構通過光環(huán)形器與光源、光譜儀相連接。將傾角儀的刻度調到0°,待光譜穩(wěn)定后保存光譜數(shù)據(jù)；轉動傾角儀依次增加2°,重復上面操作,待光譜穩(wěn)定后分別記錄2°、4°、6°、8°、10°的反射光譜。

在室溫下,改變傾角的大小,通過多次實驗得到數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理,得到結果如圖7、圖8所示。圖7為傾角改變時的波長漂移圖,由圖7可知,當傾角變大時,反射光譜向長波長方向漂移,與理論分析一致；圖8為傾角和反射波長的擬合曲線圖,由圖8可知,在室溫下,傾角與反射波長呈線性相關。該傳感器傾角靈敏度為0.2031 nm/°,線性度為0.99707。

圖7 傾角改變時的波長漂移Fig.7 Wavelength drift when the dip angle changes

圖8 角度和反射波長關系Fig.8 Relation between angle and reflected wavelength

為了驗證溫度對傳感器的影響,對傳感器進行了溫度實驗,采用如圖9所示的裝置。將傳感器放置在溫控箱(TCB)中,調節(jié)溫控箱,分別測量45 ℃、46 ℃、47 ℃、48 ℃、49 ℃及其對應光譜并記錄。

圖9 光纖F-P傾角傳感器溫度實驗系統(tǒng)Fig.9 Temperature experiment system of optical fiber F-P inclination sensor

在溫度改變的情況下,對測量得到的數(shù)據(jù)進行處理,得到結果如圖10、圖11所示。圖10為溫度改變時的波長漂移圖,由圖10可知,當溫度升高時,反射光譜向長波長方向漂移,與理論分析一致；圖11為溫度和反射波長擬合曲線圖,由圖11可知,在溫度改變的情況下,溫度與反射波長呈線性相關。且溫度靈敏度為4.777 nm/℃,線性度為0.99934。

圖10 溫度改變時的波長漂移Fig.10 Wavelength drift with temperature change

圖11 溫度和反射波長關系Fig.11 Relation between temperature and reflected wavelength

綜上所述,光纖F-P傾角傳感器對角度和溫度較為敏感,具有較高的靈敏度和較好的線性度,可以實現(xiàn)傾角測量。為了消除溫度交叉敏感,用光纖光柵進行溫度補償。

4 結 論

本文提出了一種基于光纖F-P干涉的傾角傳感器,該傳感器結構簡單穩(wěn)定,價格低廉,具有較高的靈敏度和較好的重復性。傳感器為“單模光纖-毛細管-單模光纖”結構,當外界角度或者溫度發(fā)生變化時,空氣腔長會發(fā)生改變,從而引起反射光譜發(fā)生變化,引起波長漂移,通過對波長漂移分析可以得到傾角結果從而實現(xiàn)傾角測量。在0°～10°的測量范圍內,該傳感器傾角靈敏度為0.2031 nm/°,線性度為0.99707；在45～49 ℃溫度變化范圍內,溫度靈敏度為4.777 nm/℃,線性度為0.99934。綜上所述,光纖F-P傾角傳感器對傾角和溫度較為敏感,具有良好的傳感特性,對于傾角測量具有重要意義。