基于SPS光纤结构的高灵敏度曲率传感器

陆杭林; 胡君辉

doi:doi:10.3788/LOP56.080601

激光与光电子学进展, 2019, 56 (8): 080601, 网络出版: 2019-07-26

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High Sensitivity Curvature Sensor Based on SPS Fiber Structure

论文大纲

陆杭林 ^1,2胡君辉 ^1,*

作者单位

¹ 广西师范大学物理科学与技术学院, 广西桂林 541004

² 暨南大学光子技术研究院, 广东广州 510632

光纤光学曲率测量单模-保偏-单模结构 Sagnac干涉仪 fiber optics curvature measurement single mode-polarization maintaining-single mode s Sagnac interferometer

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摘要

提出了一种基于单模-保偏-单模(SPS)结构的高灵敏度曲率光纤传感器,该传感器将保偏光纤(PMF)的两端熔接在两段单模光纤之间。研究了传感器的曲率传感性能,以及保偏光纤的长度对传感器曲率灵敏度的影响。结果表明,随着曲率的增大,传感器输出光谱出现明显红移现象;保偏光纤长度对传感器的曲率灵敏度有重要的影响,当保偏光纤长度为11 cm,曲率为0.43~1.37 m ^-1时,获得最大灵敏度为59.849 nm/m ^-1的传感器。与其他光纤结构的传感器相比,该传感器具有结构简单、易于制造、灵敏度高等优点,可用于结构健康监测传感领域。

Abstract

A high sensitivity optical fiber curvature sensor with a fiber structure is proposed based on single mode-polarization maintaining-single mode (SPS), which is fabricated by splicing a piece of polarization-maintaining fiber (PMF) between two sections of single mode fiber. The curvature sensing performance and the effect of the length of PMF on the curvature sensitivity of this sensor are studied in experiments. The results show that, the output spectrum of this sensor shows an obviously red-shift phenomenon with the increase of curvature. In addition, the length of PMF has a significance influence on the curvature sensitivity of this sensor. In the curvature range from 0.43 m -1 to 1.37 m -1, the maximum sensitivity can reach to 59.849 nm/m -1 when the length of PMF is 11 cm. This sensor has advantages of simple structure, easy fabrication and high sensitivity compared with the other optical fiber sensors with an optical fiber structure, and it can be used in the field of the structural health monitoring.

1 引言

物体的弯曲程度对于其结构稳定性至关重要,关于物体曲率的监测在工业生产、日常生活及科学研究等过程中有着重要的作用,如对大型建筑结构体的变形和沉降、飞行器的弯曲和变形以及高精度科研设备的弯曲和变形等过程。传统曲率的监测方法是采用电传感器来监测,但电传感器存在诸多局限性,如易受电磁干扰、长距离传输信号损耗严重和监测结果精度不高等。相对于传统电学传感器,光纤传感器具有测量精确度高、抗干扰能力强、耐腐蚀、结构紧凑、信号频带宽、成本低廉等诸多优点。利用光纤传感器可以对曲率^[1-2]、压力^[3-4]、应变^[5]、温度^[6-8]、折射率^[9-12]、液位^[13-15]、振动^[16-18]、输油管道参数^[19-20]等诸多参数实施监测。采用光纤级联的方法,同时把光纤熔接成葫芦状的曲率传感器,曲率灵敏度达4.362 nm/ $\begin{matrix} {m^{- 1}}^{[2]} \end{matrix}$ 。利用级联光子晶体光纤研制的曲率传感器,获得的灵敏度为-8.40 nm/ $\begin{matrix} {m^{- 1}}^{[21]} \end{matrix}$ 。在单模光纤中熔接一段多模光纤构成单模光纤-多模光纤-单模光纤结构(SMS)的曲率传感器,获得的灵敏度为-10.38 nm/ $\begin{matrix} {m^{- 1}}^{[22]} \end{matrix}$ 。基于马赫-曾德尔干涉仪原理,将光纤错位制成花生形结构的曲率传感器^[23],获得的灵敏度为22.47 nm/m^-1。将单模光纤熔接成锥状的光纤曲率传感器^[24],有效地节约了成本并获得了-31.82 nm/m^-1的灵敏度。此外,陈大凤等^[25]利用单模光纤-鼓包光纤-保偏光子晶体光纤-多模光纤-单模光纤组成的曲率传感器灵敏度高达93.95 nm/m^-1,但是光子晶体光纤较为昂贵,导致传感器成本较高^[21,25]。

本文利用保偏光纤和单模光纤制作出单模光纤-保偏光纤-单模光纤结构(SPS)的光纤传感器,并将其置于传统的Sagnac干涉仪中作为曲率传感器,研究传感器的传感性能和保偏光纤(PMF)长度对传感器曲率灵敏度的影响。

2 实验装置和原理

选用一段美国Nufern公司PM1550-HP熊猫型小模场保偏光纤(其纤芯直径为8.5 μm,包层直径为125 μm,在波长为1550 nm时拍长为3 mm),将其两端分别与单模光纤对芯熔接(光纤熔接机型号为日本Fujikura公司FSM-60S型),制成SPS光纤传感器,其结构如图1所示,图中L_P为保偏光纤的长度。

图 1. SPS光纤传感器结构示意图

Fig. 1. Diagram of SPS fiber sensor structure

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进行曲率测量实验时,需将SPS光纤传感器紧密附着在塑料刻度尺上。将附着有光纤传感器的塑料刻度尺固定于光学调节架上,通过旋转光学调节架上的螺旋测微器使调节架向左移动,在外力作用下,载有传感器的塑料刻度尺向上弯曲。由于传感器紧密附着在塑料刻度尺上,因此可认为传感器与塑料刻度尺发生同步弯曲。利用3 dB耦合器将传感器组成Sagnac干涉仪结构,将美国UC INSTRUMENTS公司GM8035型激光宽带光源(BBS)的输出端和3 dB耦合器的输入端连接好,将3 dB耦合器的输出端和日本YOKOGAWA公司AQ6370C型光谱仪(OSA)的输入端连接好。宽带光源发出的激光注入3 dB耦合器,经耦合器后产生两束沿相反方向传播的激光,两束激光传播一周后在3 dB耦合器处耦合输出,具体的光路结构如图2所示,图中L为光纤支座间的距离,Δx为每次向前推进的距离。

图 2. 曲率测量实验的光路示意图

Fig. 2. Light path in curvature measurement experiment

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该方案设计两组实验,实验一对传感器进行直接通光,实验二采用Sagnac干涉仪结构后通光,均在无曲率及恒温条件下采集光谱,其透射光谱分别如图3(a)和图3(b)所示,两图中保偏光纤长度均为7 cm。对比图3(a)和(b)可以发现,采用Sagnac干涉仪结构后谐振波谷的消光比大幅提高,获得的谐振波谷更窄,干涉图样更好。

图 3. 传感器通光后的透射光谱。(a)直接通光;(b)嵌入Sagnac干涉仪结构后通光

Fig. 3. Transmission spectra of sensor after light passing. (a) Light directly passing; (b) light passing after employing Sagnac interferometer

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载有传感器的物体的曲率C可以表示为^[26]

\begin{matrix} C = \frac{1}{ρ} ≅ \sqrt[]{\frac{24 Δx}{L_{0}^{3}}}, (1) \end{matrix}

式中:ρ为载有光纤传感器的物体发生弯曲形变后的曲率半径;L₀为两个光学调节架之间的初始距离。在螺旋测微器向前推进的过程中,光纤传感器随着塑料尺弯曲,光纤的纤芯和包层受到不同程度的挤压和拉伸,所以光纤纤芯和包层的折射率会产生相应的变化。光纤的弯曲导致纤芯和包层发生不同程度的变形,两者之间受到的应力不同,应力差Δε可以表示为^[27]

\begin{matrix} Δε = d / ρ, (2) \end{matrix}

式中:d为光纤中的纤芯到包层间的距离。传感器中的保偏光纤具有高双折射,快慢轴的折射率差Δn_{eff_0}=n_s-n_f,n_s和n_f分别是保偏光纤慢轴和快轴的有效折射率。当保偏光纤弯曲时,快慢轴的折射率差会发生相应地改变,从而导致干涉谱发生漂移。当保偏光纤发生弯曲或应变时,其快慢轴的折射率差可以表示为^[28]

\begin{matrix} Δ n_{eff} = Δ n_{eff_0} + kΔε, (3) \end{matrix}

式中:Δn_{eff_0}为传感光纤在无应变时快慢轴的折射率差;k为光纤的应变折射率系数。此时干涉谱谐振波谷的波长λ_m可以表示为^[29]

\begin{matrix} λ_{m} = \frac{2 Δ n_{eff_0} L}{2 N + 1} + \frac{2 kLd}{2 N + 1} \times \frac{1}{ρ}, (4) \end{matrix}

图 4. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的空间频率谱

Fig. 4. Spatial frequency spectrum of sensor when the length of PMF is 7 cm

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式中:N为光谱干涉级数,N=1,2,3,…。在传感光纤无弯曲且保偏光纤长度为7 cm时,对获得的实验结果进行快速傅里叶变换,得到的空间频率谱如图4所示。由图4可见,由于保偏光纤慢轴和快轴的模式和纤芯模占主要成分,干涉谱主要是由保偏光纤的双折射效应引起。由(1)~(4)式可以得到

\begin{matrix} λ_{m} = \frac{2 L}{2 N + 1} \cdot Δ n_{eff_0} + \frac{2 L kd}{2 N + 1} \cdot \sqrt[]{\frac{24 Δx}{L_{0}^{3}}} 。 (5) \end{matrix}

因此,螺旋测微器向前推进使得传感光纤弯曲,保偏光纤的双折射发生改变,从而促使光谱发生漂移。

由以上分析可知,在传感光纤长度一定时,干涉谱谐振波谷的波长和曲率呈线性关系,因此可以通过干涉谱谐振波谷波长的变化来反映物体曲率的大小,从而实现测量曲率的目的。

3 实验结果与讨论

因为Sagnac干涉仪对温度非常敏感,为了避免环境温度对实验结果的干扰,整个曲率测量实验都是在恒温环境下进行。首先采用保偏光纤长度为7 cm时的传感器进行实验,两个光学调节架的初始距离设为40 cm,光学调节架每次向前推进量Δx=0.5 mm,直到总推进量为5.0 mm时停止。实验时螺旋测微器每推进一个Δx就采集一组数据,共10组数据,得到的干涉谱如图5所示。

图 5. 保偏光纤长度为7 cm时传感器不同曲率C时测得的干涉谱

Fig. 5. Interference spectra of curvature measurement for sensor when the length of PMF is 7 cm

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由图5发现,载有光纤传感器的物体曲率增加时,传感器的干涉谱发生了明显的红移。因为曲率增加,传感器的弯曲程度会明显加大,传感部分的光纤纤芯和包层间的有效折射率差增大,根据(4)式可知,光谱干涉条纹的波长增加,谱线向长波方向移动,故通过监测干涉谱谐振波谷的波长变化即可实现对曲率的测量。

选取1530 nm附近的谐振波谷作为干涉观察点,提取其中实验数据进行线性分析,结果如图6所示。由图6可见传感器的线性相关系数R²达0.999,获得的灵敏度为56.140 nm/m^-1。可见,此传感器对曲率的线性响应很好,并且灵敏度较高,能够较好地实现曲率的测量。

图 6. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的线性分析

Fig. 6. Linear analysis of sensor when length of PMF is 7 cm

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为了进一步考查传感器的测量一致性,利用保偏光纤长度为7 cm时的传感器进行往返重复测量实验,结果如图7所示。观察图7发现,正向往前推进螺旋测微器使传感器弯曲和反向后退螺旋测微器使传感器恢复时,两组实验数据不能完全重合,并且返回时获得的灵敏度要高些,达到了62.931 nm/m^-1,正反向两次实验的灵敏度差为-6.791 nm/m^-1。

图 7. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的往返重复实验结果

Fig. 7. Round trip repeat test of sensor when the length of PMF is 7 cm

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导致两组数据不能重合的主要原因是塑料刻度尺在获得能量产生弯曲和释放能量回弹时,塑料刻度尺的材料存在弹性回滞,导致进行往返重复实验结果不能完全重合。实际工程应用中,如果测量对象为弹性回滞较小的刚性材质的物体时,这种现象对测量结果的影响会减小。

保偏光纤长度过短时,干涉谱谐振波谷数量过少且干涉效果差,不利于观察;保偏光纤长度过长时,干涉谱谐振波谷数量过多,会导致测量范围偏小。综合考虑保偏光纤长度对传感器的灵敏度的影响,制作4种保偏光纤长度不同的SPS光纤传感器进行实验,保偏光纤的长度分别为:7.0,9.0,11.0,13.0 cm,实验结果如图8所示。

由图8可知,4个实验获得的相关系数均能达到0.99以上。此外,保偏光纤长度的不同,对曲率灵敏度的影响不同。当保偏光纤长度为11 cm时的传感器灵敏度最高,达到59.849 nm/m。

图 8. 不同保偏光纤长度下传感器的线性对比

Fig. 8. Linear correlation contrast of sensors under different lengths of PMF

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在物体弯曲的程度保持不变,即曲率恒定时,保偏光纤越短,相当于在曲线中截取一段较短的弧线,即可视为直线或曲率变小的弧线,传感器纤芯和包层间的应力差将会越小,两者间的有效折射率差也会越小,导致光谱干涉条纹移动距离也越小,所以传感器灵敏度降低。而当保偏光纤长度超出一定界限时,规律失去。实验总结发现,在保偏光纤长度为11 cm时获得的传感器灵敏度最高。

4 结论

本研究设计并制作了基于SPS光纤结构的光纤曲率传感器,研究了传感器对曲率的响应特性,并研究了保偏光纤长度对传感器曲率灵敏度的影响。研究结果表明,保偏光纤的长度对传感器的曲率灵敏度有重要影响,在保偏光纤长度为11 cm时,获得最高曲率灵敏度为59.849 nm/m^-1的传感器。与目前已有的光纤曲率传感器相比,此传感器具有结构简单、灵敏度高且线性响应效果好的特点,可以有效地降低传感器的制作成本及工艺要求,能够较好地实现对物体曲率变化的测量以及大型建筑结构体的健康监测等。本研究对于保偏光纤快慢轴的偏转对曲率灵敏度的影响,以及在曲率监测过程中传感光纤的扭转对灵敏度的影响未做深入研究,下一步工作应该重点关注。

参考文献

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1 引言

2 实验装置和原理

图 1. SPS光纤传感器结构示意图

Fig. 1. Diagram of SPS fiber sensor structure

图 2. 曲率测量实验的光路示意图

Fig. 2. Light path in curvature measurement experiment

图 3. 传感器通光后的透射光谱。(a)直接通光;(b)嵌入Sagnac干涉仪结构后通光

Fig. 3. Transmission spectra of sensor after light passing. (a) Light directly passing; (b) light passing after employing Sagnac interferometer

图 4. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的空间频率谱

Fig. 4. Spatial frequency spectrum of sensor when the length of PMF is 7 cm

3 实验结果与讨论

图 5. 保偏光纤长度为7 cm时传感器不同曲率C时测得的干涉谱

Fig. 5. Interference spectra of curvature measurement for sensor when the length of PMF is 7 cm

图 6. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的线性分析

Fig. 6. Linear analysis of sensor when length of PMF is 7 cm

图 7. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的往返重复实验结果

Fig. 7. Round trip repeat test of sensor when the length of PMF is 7 cm

图 8. 不同保偏光纤长度下传感器的线性对比

Fig. 8. Linear correlation contrast of sensors under different lengths of PMF

4 结论

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1 引言

2 实验装置和原理

图 1. SPS光纤传感器结构示意图

Fig. 1. Diagram of SPS fiber sensor structure

图 2. 曲率测量实验的光路示意图

Fig. 2. Light path in curvature measurement experiment

图 3. 传感器通光后的透射光谱。(a)直接通光;(b)嵌入Sagnac干涉仪结构后通光

Fig. 3. Transmission spectra of sensor after light passing. (a) Light directly passing; (b) light passing after employing Sagnac interferometer

图 4. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的空间频率谱

Fig. 4. Spatial frequency spectrum of sensor when the length of PMF is 7 cm

3 实验结果与讨论

图 5. 保偏光纤长度为7 cm时传感器不同曲率C时测得的干涉谱

Fig. 5. Interference spectra of curvature measurement for sensor when the length of PMF is 7 cm

图 6. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的线性分析

Fig. 6. Linear analysis of sensor when length of PMF is 7 cm

图 7. 保偏光纤长度为7 cm时传感器的往返重复实验结果

Fig. 7. Round trip repeat test of sensor when the length of PMF is 7 cm

图 8. 不同保偏光纤长度下传感器的线性对比

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