保偏光纖Bragg光柵傳感特性的實驗研究(精)

1、第37卷，增刊 紅外與激光工程2008年4月V 01.37 Supplement Infrared andLaser Engin eeri ng Apr. 2008收稿日期:2008-03-20基金項目：國家自然科學(xué)基金（50775180西安理工大學(xué)特色研究計劃（102-210614作者簡介:魏穎（1981-,女，河北蠡縣人，碩士，主要研究方向為光電測量技術(shù)。Email:weiyi ng0312導(dǎo)師簡介：焦明星（1962-,男，陜西高陵人，博士，教授，博士生導(dǎo)師、主要研究方向為激光傳感與測量技術(shù)方面。Email: jiaomx保偏光纖Bragg光柵傳感特性的實驗研究魏穎,焦明星（西安理工大學(xué)

2、機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院 精密儀器系，陜西西安710048摘要:設(shè)計了一種基于保偏光纖Bragg光柵（PMFBG的橫向負(fù)載傳感方案，實驗 研究了 PMFBG對橫向負(fù)載、軸向應(yīng)變和溫度的傳感特性。研究結(jié)果表明:PMFBG兩諧振波長對溫度和軸向應(yīng)變的靈敏度近似相等，而對橫向負(fù)載的靈敏度各不相 同;PM FBG兩諧振波長之差對橫向負(fù)載的靈敏度取決于負(fù)載作用方向與保偏光纖快 軸（或慢軸之間的夾角，而不受溫度和軸向應(yīng)變的影響，實驗得到的最高靈敏度為 0.031 nm/kg?；赑MFBG的橫向負(fù)載傳感測量系統(tǒng)在稱重等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用 前景。關(guān)鍵詞:保偏光纖；光纖Bragg光柵；橫向負(fù)載；溫度；軸向應(yīng)變中圖

3、分類號:TN253文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1007-2276（2008增（幾何量-0107-04Exp erime ntal study on the sensing characteristics ofpo larizati on-maintaining fiber bragg grati ngWEI Ying, JIAO Min g-x ing(Dep artme nt of P recisio n In strume nts, Xi an Uni versity of Tech no logy, Xian710048, Chi naAbstract: Based on the po la

4、rizati on-maintaining fiber Bragg grat ing (PM FBG, a sensing scheme of tran sverse load was desig ned, and the PMFBG sensing characteristics on the tran sverse load, axial stra in, as well as temp erature was studied exp erime ntally.The results in dicated that the two res onant wavele ngths of PM

5、FBG had n early equal sen sitivities to the temp erature and axial stra in, but their sen sitivities to the tran sverse load were un equal; the sen sitivity of PM FBG wavele ngth-differe nee to the tran sverse load depen ded on the an gle betwee n the load direct ion and the fast or slow axis of the

6、 p olarizatio n-mai ntai ning fiber, and it was free from the cha nges of temp erature and axial stra in. The exp erime ntally obta ined sen sitivity of wavele ngth-differe nee to the tran sverse load was as high as 0.031 nm/kg. The PM FBG-based tran sverse load sensing and measuri ng system will be

7、 found wide app licati ons in the fields of weigh ing, etc.Key words: P olarizatio n-main ta ining fiber; Fiber Bragg grat ing; Tran sverse load;Temp erature;Axial strain目前使用的光纖Bragg光柵（FBG傳感器只對溫度和軸向應(yīng)變敏感，而對徑向應(yīng)變不敏感1,但在實際應(yīng)用中，徑向應(yīng)變信息的傳感測量也很重要。采用保偏光纖制作的Bragg光柵（PMFBG ,可以實現(xiàn)壓力、溫度或軸向應(yīng)變的傳感測量2-3。主要對PMFBG的橫向負(fù)載靈敏

8、度進(jìn)行研究，為稱重4、多108紅外與激光工程：高精度幾何量光電測量與校準(zhǔn)技術(shù)第37卷參量測量5-6等應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。用相位掩模法在高雙折射保偏光纖上寫入 Bragg光柵，相當(dāng)于分別在保偏光纖 的快軸和慢軸上寫了兩個Bragg光柵。這兩個光柵的周期 A相同，但有效折射率不 同,分別用n x和n y表示,相應(yīng)的諧振波長分別表示為2:2x x n 入A =,2y y n (1 入A =這兩個諧振波長之差為：2(2y x y x n n n入入 AA -=-=? (2理論分析可知，當(dāng)PMFBG受到橫向負(fù)載作用產(chǎn)生應(yīng)變時，快軸和慢軸上的諧振 波長偏移量？入x和?入y的差值可表示為7:12110(12y x

9、 y n pp 入入vs入式中=-+為光柵在橫向負(fù)載方向產(chǎn)生的應(yīng) 變；入為PMFBG的中心反射波長;n 0為纖芯的有效折射率;p 11,p 12為光纖的彈光張量；I為石英材料的泊松比。對于給定的光纖,式中的n 0,p 11,p 12,都是常數(shù)。從公 式(3可以看出,當(dāng)對PMFBG施加橫向負(fù)載時，兩諧振波長之差值將發(fā)生變化，并且僅 與橫向負(fù)載成線性關(guān)系，而與軸向應(yīng)變及環(huán)境溫度變化無關(guān)。當(dāng)橫向負(fù)載方向與保偏光纖快軸平行或垂直時保偏光纖的快軸和慢軸所受的射率nx和ny的變化方向也相反，PMFBG諧振波長的變化較大8。因此，當(dāng)橫向負(fù)載方向與保偏光纖的快軸平 行或垂直時,PMFBG諧振波長對負(fù)載最敏感，

10、波長差對橫向負(fù)載也最敏感。當(dāng)橫向負(fù)載的方向與保偏光纖的快軸約 45。時，保偏光纖快軸和慢軸受到的應(yīng)力大小相當(dāng)且符號相同，引起折射率n x和ny變化相同，導(dǎo)致PMFBG兩諧振波長的變化相同。因此，當(dāng)橫向負(fù)載方向與保 偏光纖快軸夾角約45°時,PMFBG諧振波長對負(fù)載最不敏感，此時波長差對橫向負(fù)載 的靈敏度也最小。2實驗研究結(jié)果與分析2.1 PMFBG橫向負(fù)載傳感特性研究PMFBG橫向負(fù)載傳感實驗系統(tǒng)如圖1所示,圖中虛線內(nèi)為加載裝置將裸PMFBG和直徑相當(dāng)?shù)钠ヅ涔饫w放在一定厚度的接 觸材料中間，再在其上下加圖1 PM FBG橫向負(fù)載傳感系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic diag

11、ram of PM FBG tran sverseload sensing system上金屬板，并用砝碼作負(fù)載加到金屬板上。將光柵附近的尾纖固定到刻度盤的中心線上，轉(zhuǎn)動刻度盤可改變PMFBG的受壓角度。接觸材料選用明膠片，具有溫度 穩(wěn)定性好、不易變形、延展性小等特點，既能很好地傳遞橫向載荷，又能緩沖保護(hù)光 纖。實驗所用寬帶光源ASE的工作波長范圍為1 5251 610 nm光譜分析儀OSA的分辨率為 ±).01 nm，熊貓型PMFBG的光柵長度為4 cm，其反射譜如圖2所示,兩個諧振波長分別為1 552.562 nm和1 552.932 nm帶寬分別為0.158 nm和0.157

12、nm ,反射率均為50%。不同圖 2 PMFBG 光譜圖 Fig.2 Spectrum of PMFBG角度時PMFBG兩諧振波長及其波長差隨橫向負(fù)載的變化規(guī)律如圖3和圖4所示。通過刻度盤改變載荷作用方向與保偏光纖快軸（或慢軸之間的夾角，實驗研究PMFBG兩諧振波長及其波長差的橫向負(fù)載靈敏度隨載荷作用方向的變化規(guī)律。實驗用PMFBG的兩個諧振波長分別為1 552.538 nm和1 552.915 nm帶寬分別為 0.183 nm和0.185 nm ,反射率均為50%,測得的實驗曲線如圖5所示?？梢钥闯?PMFBG兩增刊魏穎等:保偏光纖Bragg光柵傳感特性的實驗研究109諧振波長和波長差的橫向

13、負(fù)載靈敏度取決于載荷作用方向,0時PMFBG波長差的橫向負(fù)載靈敏度達(dá)到最大值 0.031 nm/kg對應(yīng)的快軸和慢軸諧振波長的靈敏度 分別為0.008 nm/kg和0.039 nm/kg?？梢灶A(yù)測,90方向與保偏光纖的快軸幾乎平行, 而0°方向與慢軸幾乎平行。1 553,21 553.01 552,81 552.61 553.241 553.01 552.81 552.61(Transverse load/kg圖3不同角度時PMFBG波長隨橫向負(fù)載變化規(guī)律Fig.3 Dependence of PM FBG wavele ngth on tran sverse load at dif

14、fere nt an glesPMFBG wavelength/nmTransverse 10 ad/lcgPmFBG wavelength/nm不同角度時PMFBG波長差隨橫向負(fù)載變化規(guī)律 Fig.4 Dependence of PMFBGwavelen gth-differe neeon tran sverse load at differe nt an gles1 553.41 553,21 553,01 552.8圖5不同角度時PMFBG的橫向負(fù)載靈敏度曲線Fig.5 Tran sverse load sen sitivity curves ofPM FBG in differe nt

15、 an gles2.2 P MFBG溫度傳感特性研究采用水浴法對PMFBG的溫度傳感特性進(jìn)行實驗研究。將 PMFBG置于一個溫度可調(diào)的水容器中，進(jìn)行升溫和降溫實驗，并用最小刻度為0.01 r的溫度計監(jiān)測水溫變化,PM FBG的兩諧振波長隨溫度的變化規(guī)律如圖 6所示。從兩條擬合直線的斜率可知:兩個諧振波長的溫度靈敏度分別約為0.010 97 nm/r和0.010 46 nm/C ,即保偏 光纖快軸和慢軸的溫度特性差異很小，可以認(rèn)為二者幾乎相等（受光譜分析儀分辨率 限制;波長差隨溫度的變化規(guī)律如圖7所示，溫度靈敏度約為-0.000 5 nm/C。圖6 PMFBG波長隨溫度的變化規(guī)律Fig.6 De

16、pendence of PM FBG wavele ngth on temp erature圖 7 PMFBG 波長差隨溫度的變化規(guī)律 Fig.7 Dependence of PMFBG wavelengthdiffere nee on temp erature2.3 PM FBG軸向應(yīng)變傳感特性研究用SY-40膠將PMFBG的光柵兩端粘在等強(qiáng)度懸臂梁上表面的中軸線上，然后在懸臂梁自由端加砝碼使其發(fā)生變形，帶動PMFBG產(chǎn)生軸向應(yīng)變。實驗結(jié)果如圖8所示，可以看出兩諧振波長的靈敏度相同。 圖9為PMFBG的波長差變化曲線，變化范圍僅有0.012 nm ,說明波長差對溫度不敏感。紅外與激光工程：高

17、精度幾何量光電測量與校準(zhǔn)技術(shù) 第37卷1553.41553.21553.01552.K1552.660A 11J /K T2040SO圖8 PMFBG波長隨軸向負(fù)載的變化規(guī)律。Fig.8 Dependence of PMFBGwavele ngth on axial load110Fig.9 Dependence curves of PM FBG wavele ngth-differe nee on loadEElp豈刁gm Dd亠呂d3結(jié)論PMFBG與通常的FBG不同，兩個光學(xué)主軸使它具有兩個不同的諧振波長。實驗研究表明：當(dāng)PMFBG受到溫度和軸向應(yīng)變作用時，兩個諧振波長具有相同變化趨勢，二者的靈敏度差別不大，即波長差對溫度和軸向應(yīng)變不敏感；當(dāng)PMFBG受橫向負(fù)載作用時,兩個諧振 波長的靈敏度取決于負(fù)載作用方向和兩個光學(xué)主軸間的夾角，當(dāng)負(fù)載方向與慢軸平行時波長差的靈敏度最高。所以，只需用PMFBG的波長差就可以實現(xiàn)橫向負(fù)載的 傳感測量，而軸向應(yīng)變和溫度的變化對它幾乎沒有影響。參考文獻(xiàn):1 李川,張以謨趙永貴等光纖光柵:原理技術(shù)與傳感應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社，2005.2 王偉,孟洲,楊華勇.等.熊貓型保偏光纖光柵溫度和壓力傳感特性研究J.傳感器世界，2006,12 (6:23-26.3 張先臣.利用光纖雙折射效應(yīng)實現(xiàn)應(yīng)變和溫