1 引言

近年来,基于光纤的传感器由于具有体积小、抗电磁干扰、可实现长距离传感、灵敏度高等多种优点,已经在各种工业应用中扮演重要角色,其中光纤曲率传感器在交通运输、建筑结构检测等领域中得到广泛的研究和应用^[1-2]。光纤曲率传感器往往可以通过检测光纤中光波的波长和强度的变化来实现待测结构曲率的实时测量,在以往的研究报道中,研究人员已经提出了多种光纤传感结构来实现曲率值的测量,常见的光纤传感头包括光纤熔锥型曲率传感器^[3-5]、光纤光栅型曲率传感器^[6-9]、光纤拼接结构型曲率传感器等^[10-12]。

由于光纤制造技术的进步,研究人员也尝试利用新型的具有特殊结构的光纤来制作光纤曲率传感器。2011年,Deng等^[13]提出了一种基于光子晶体光纤(PCF)的马赫-曾德尔干涉仪结构,并实现了灵敏度为3.046 nm/m^-1的曲率传感测量。2013年,Ou等^[14]提出了一种紧凑型曲率传感器,这种传感器由两端熔接七芯PCF的单模光纤(SMF)组成,经过实验测量,其曲率传感的灵敏度为1.232 nm/m^-1。2015年,陈大凤等^[15]提出了一种利用保偏PCF实现高灵敏度曲率传感测量的方法,其传感器由单模-鼓包-保偏PCF-多模-单模光纤组成,且多模光纤和SMF之间错位熔接,在实验中实现了不同曲率范围内的传感测量。2016年,付广伟等^[16]提出了一种温度不敏感的曲率传感器,这种传感器由错位熔接-粗锥型PCF组成,研究人员通过设计相关曲率实验获得了该传感器的曲率传感灵敏度约为13.62 nm/m^-1。除了上面所提到的PCF,研究人员还对多芯光纤在曲率传感测量上的应用进行了一些研究,赵士刚等^[17]提出了一种基于四芯光纤的弯曲传感器,并利用四芯光纤输出的干涉相位实现了曲率半径的测量。2014年,Qu等^[18]利用双芯光纤实现了一种光纤曲率传感器,并且获得了约为3×10^-4 m^-1的曲率传感分辨率。虽然上述多种光纤曲率传感器都能实现一定灵敏度的曲率传感测量,但是其传感头的制作大都较为复杂且传感灵敏度较低,一些传感器的封装较为麻烦。

本文提出一种新型的光纤曲率传感器,这种曲率传感器由一段七芯光纤(SCF)和两段少模光纤(FMF)拼接而成,可以描述为FMF-SCF-FMF结构,当这种结构的光纤传感头发生弯曲时,光纤中的干涉模式会发生相应的改变,利用光谱仪对其输出光谱的波长和强度变化值进行测量,从而实现相应曲率值的传感测量。实验中分别制作了三种不同的传感器结构,并分别进行实验测量,通过数值拟合获得了其曲率传感的灵敏度。

2 实验结构分析与制作

图1为光纤传感器的结构图,其中SCF两端分别拼接一段FMF,然后将熔接好的传感结构两端分别熔接普通SMF。

图 1. 曲率传感器的结构示意图

Fig. 1. Structural diagram of curvature sensor

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在光纤干涉结构中,传感器两端的FMF FMF-1和FMF-2可以实现光模式从SMF到SCF之间的分束、合束,并能够增强SCF中光模式间的干涉效应。光纤的干涉过程为:光束首先从SMF-1传输到FMF-1中,并在FMF-1中激发出多种纤芯模式,这些模式会传输到SCF中激发多种包层模式和纤芯模式,如图1中的箭头所示,因此在SCF中存在多种模式间的干涉现象,干涉强度可表示为^[19]

I=∑mIcm+∑mIclm+∑m2IcmIclmcosϕm,(1)

式中:I表示传感器的干涉模式的输出光场强度; Imc表示纤芯的光场强度; Imcl表示m阶包层模式的光场强度;ϕ^m表示纤芯模式和包层模式的相位延迟,又可以表示为

ϕm=2πΔneffmLλ,(2)

式中:Δ nmeff表示纤芯模式和m阶包层模式的折射率差值;L表示干涉臂的长度;λ表示输入光波的波长值。根据干涉理论,干涉信号的峰值点处的波长满足

2πΔneffmLλn=(2n+1)π,(3)

式中:n为整数;λ_n表示干涉光谱的第n个峰值处波长。当光纤发生弯曲时,光纤会产生相应的形变,同时产生轴向应变,由于光纤的纤芯和包层的制作材料有区别,其弹光效应因子的值不同,在弯曲形变过程中其有效折射率所产生的变化不同,从而导致(3)式中的 Δnmeff发生变化,在光谱上就会表现出对应波长峰值的变化,利用这种弯曲的曲率值与光谱波长或强度变化值的对应关系制作光纤曲率传感器。

在实验中,利用FMF和SCF进行拼接,组成传感头。所用FMF的包层直径为125 μm,纤芯直径为18 μm;SCF的包层直径为145 μm,纤芯直径为9 μm,纤芯距离为53 μm。图2(a)和图2(b)分别为实验中所用FMF和SCF在显微镜下观察到的横截面图像。实验中所使用SCF的长度约为5 cm,FMF的长度约为1 cm。

图 2. 横截面显微镜图像。(a) FMF; (b) SCF

Fig. 2. Microscope images of cross section. (a) FMF; (b) SCF

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实验过程中,分别拼接了三种不同类型的传感头,将其分别描述为直接型、同向错位拼接型和异向错位拼接型,其示意图如图3(a)~(c)所示。图3(d)是在显微镜下观察到的FMF与SCF直接型结构的熔接点情况,图3(e)是在显微镜下观察到的FMF与SCF错位拼接型结构的熔接点情况。可以发现,包层直径较大的部分为SCF,包层直径较小的部分为FMF,调整优化熔接机的电流等参数后,进行光纤熔接,其熔接点特性良好。

图 3. 不同传感头结构示意图及显微镜图像。(a)直接型示意图;(b)同向错位拼接型示意图;(c)异向错位拼接型示意图;(d)直接结构的显微镜图像;(e)错位拼接结构的显微镜图像

Fig. 3. Structural diagrams and microscope images of different sensing heads.(a) Straight type;(b) same direction mismatch type;(c) different direction mismatch type; (d) microscope image of straight type; (e) microscope image of mismatch type

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对熔接好的三组传感头进行测试,获得了传感器A的光谱如图4(a)所示,其光谱中具有多个干涉峰,为了研究其中的模式干涉情况,对光谱进行快速傅里叶变换处理,以获得其频谱图,如图4(b)所示,可以发现频率0.004 nm^-1对应其主要干涉模式;利用相同方法,对传感器B、C进行了相同步骤的测试,获得二者的传输光谱分别如图5(a)和图6(a)所示,其对应的快速傅里叶变化后的频谱图分别为图5(b)和图6(b)。通过分析三种传感器结构的频谱,证实同向错位型和异向错位型熔接结构相比直线型有更多的模式参与了光纤的干涉。光纤中干涉情况所涉及的模式变得复杂,多个包层模式会参与进来,因此光谱的整洁度受到影响,某些波长处干涉峰增强,通过观察快速傅里叶变换的频谱图,发现光纤中主要干涉模式包含了一些低阶的包层模式,因此FMF和SCF之间的偏接结构可以激发SCF中更多的包层模式,从而可以增强光纤中的干涉现象。在接下来的曲率测量实验中,可以选定特定波长处的干涉峰进行传感测量的标定。

图 4. 传感器A的测试结果。(a)光谱;(b)频谱

Fig. 4. Test results of sensor A. (a) Optical spectrum; (b) frequency spectrum

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图 5. 传感器B的测试结果。(a)光谱;(b)频谱

Fig. 5. Test results of sensor B. (a) Optical spectrum; (b) frequency spectrum

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图 6. 传感器C的测试结果。(a)光谱;(b)频谱

Fig. 6. Test results of sensor C. (a) Optical spectrum; (b) frequency spectrum

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利用位移平台搭建曲率测试的平台,其传感测试的结构图如图7所示,图中的插图为应力调节架,扭动调节架一端的千分尺可以实现光纤曲率的改变,同时光谱仪所测试的光谱会发生相应的变化。值得说明的是,千分尺每转动一格,位移变化0.01 mm,由于两端夹具之间的距离L=165 mm,相应的曲率半径R可根据曲率的近似计算公式进行计算^[7]:

R=2dd2+(L/2)2,(4)

式中d为传感器在垂直方向的移动距离。

图 7. 实验装置示意图

Fig. 7. Schematic of experimental setup

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3 实验结果分析

图8显示出随着曲率的不断增大,传感器A对应的1550 nm处光谱的波长和强度也在有规律地发生变化,曲率值从0.895 m^-1变化到1.132 m^-1,所对应的波长的漂移量为1.63 nm,所对应的强度的变化量为1.94 dB。分别对传感器A的波长和强度变化情况进行数据的提取和拟合,得到的结果如图8(b)所示,获得该传感器的波长和强度对应的传感灵敏度分别为6.33 nm/m^-1和8.57 dB/m^-1。通过实验可以发现,由于多种模式间的干涉现象在SCF中得到了增强,相比文献[ 12]中的干涉结构,这种光纤曲率传感器的灵敏度得到了很大提升,实验结果与前期的理论分析结果很好地吻合。

图 8. 传感器A的实验结果。(a)光谱随着曲率的变化;(b)数据拟合结果

Fig. 8. Experimental results of sensor A. (a) Spectrum versus curvature; (b) data fitting results

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在接下来的实验中,取下传感器A,然后把传感器B固定在调节架上,调整到合适位置,对传感器B进行曲率的测量,如图9(a)所示,随着在传感器上所施加的曲率值的变化,传感器的光谱发生规律性变化,利用与传感器A相同的数据处理方法,在1500 nm波长处进行数据的提取和拟合,得到的结果如图9(b)所示,传感器B的波长和强度对应的传感灵敏度分别为30.83 nm/m^-1和25.65 dB/m^-1。

图 9. 传感器B的实验结果。(a)光谱随着曲率的变化;(b)数据拟合结果

Fig. 9. Experimental results of sensor B. (a) Spectrum versus curvature; (b) data fitting results

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同样地,对传感器C进行曲率的测量,如图10(a)所示,随着在传感器上所施加的曲率值的变化,传感器的光谱也发生规律的变化,选取传感器光谱1600 nm波长处进行数据的提取和拟合,得到的结果如图10(b)所示,传感器的波长和强度所对应的传感灵敏度分别为15.96 nm/m^-1和1.96 dB/m^-1。对于光纤曲率传感器的温度交叉灵敏度问题,可以通过添加温度补偿结构如光纤光纤,进行一定的补偿,从而保证光纤曲率传感器的测量准确性。

图 10. 传感器C 的实验结果。(a)光谱随着曲率的变化;(b)数据拟合结果

Fig. 10. Experimental results of sensor C. (a) Spectrum versus curvature; (b) data fitting results

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为了方便对比三种不同结构的传感器的传感特性,对传感灵敏度进行了总结,如表1所示,发现传感器B的波长灵敏度和强度灵敏度都要大于其余两者,三种传感器都是通过FMF和SCF的拼接结构来实现曲率传感测量,传感器B的拼接方式能提高传感器的灵敏度,这对实际中传感器的制作具有很重要的参考价值。同时值得提出的是,近年来出现了越来越多关于基于多芯光纤的传感器的研究,由于其具有多芯结构,可以用于实现多种传感参量的同时测量,因此文中所探讨的多芯光纤拼接结构的不同特性更有其潜在的应用价值。

为了更好地理解不同结构曲率传感器的灵敏度差异特性,对不同结构的曲率传感器灵敏度进行了对比,结果如表2所示。

4 结论

提出了一种新型的光纤曲率传感器,这种曲率传感器由一段约为5 cm的SCF和两段分别约为1 cm的FMF拼接而成。实验中分别制作了三种不同拼接类型的传感器结构,将其分别夹在调节架上进行调试测量,并逐次记录数据,通过对数据进行处理和拟合,获得了传感器的曲率传感灵敏度,经过分析对比发现传感器B的传感灵敏度要明显优于其他两组,这种有益的实验对比分析可以为以后设计性能更好的曲率传感器提供重要参考。下一步尝试通过实验分析不同多芯光纤类型的传感器结构,针对偏接结构进行矢量曲率传感特性的实验研究,并尝试在实际应用场景进行传感器的测试研究。