单模光纤耦合传感器的设计1.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流单模光纤耦合传感器的设计1.精品文档.单模光纤耦合传感器的设计1.txt婚姻是键盘，太多秩序和规则；爱情是鼠标，一点就通。男人自比主机，内存最重要；女人好似显示器，一切都看得出来。第17卷第11期. 光学精密工程. Vo117 NO11 2009年11月OpticsandPrecisionEngineering NOV2009文章编号. 1004924X(2009)11265708单模光纤耦合传感器的设计蒋奇，隋青美，马宾. (山东大学控制科学与工程学院，山东济南2500061)摘要：为使单模光纤耦合器可作为传感器应用，分析了单模光纤耦合传感器的敏感机理，依据传感器耦合输出与传感器耦合区长度及耦合区振动频率存在的关系实现了应变和振动检测。基于微应变仪和等强度悬臂梁搭建了应变和振动检测系统，分析了耦合型光纤传感器的静态响应特性和温度、横向压力干扰对其输出耦合比的影响，讨论了该传感器的低频和高频响应特性。实验结果显示，该类型传感器对应变的响应非常灵敏，耦合比在1O9o的线性关系良好，且温度漂移影响可以稳定在05以内。与压电振动传感器的测试对比，该传感器可更好地实现050Hz低频和4kHz高频振动检测。上述结果表明，耦合型光纤传感器可基本实现对应变和振动参数的检测，但面向实用化还要考虑耦合区材料、结构本身、制作工艺等因素的影响。关键词：光纤耦合器；应变测量；振动测量；光纤传感器中图分类号：TN253文献标识码：A Design ofsinglemodeopticfibercouplingsensor JIANG Qi，SUIQingmei，MA Bin (SchoolofControlScienceandEngineeering，ShandongUniversity，Jinan250061，China) Abstract：In orderto realizethepossibilityofasinglemodefibrecouplerusedasasensor，thetheory ofanopticfibrecouplingsensorisanalyzedAccordingtotherelationthatthecouplerScouplingrati. Oissnstvetholdfsdpretcnnbairqeceetoehlgyeiiotecupeueatlngh hageadvirtonfeuny，ad tcintcnoofotanadviaiaatrsprpoetanaiaixprmetlssesdrsrinbrtonprmeesiosdThesrindvbrtoneeinaytm baeonamicosrinsrmendacntlvrietrnicplsdsrbditirtanituntaaieesstupandiswokigprnieieciendealThestrain responseofthefibrecoupling sensorisinvestigatedthrough a microstraintestand the effectsoftemperatureandtransverseinterferenceontheoutputratio aregivenExperimentalresults indicatethatstrainresponseofthefibrecoupling sensorisexcelllentandthesensortemperaturere. mainsaconstantinthecouplingratiorangefrom 10 to9OThedynamicexperimentsofapiezoe. lectricsensorandacouplingfiberopticvibrationsensorareinvestigatedand a050Hzlowand 4kHzhighfrequencyresponsesareapprovedduringthevibrationtestingTheseresultsshow thatthe singlemodefibrecouplingsensorcanmeasureavibrationsignalpracticallly，meanwhile，otherinfluen. ciatrncungtuertrasouetutrsadfbrctonnedtersvengfcosildihefsdpatmaeil，c plrsrcuenaiaieobeold fongnernppiaisiheftrreieigalctonntuueKeywords：opticfibercoupler；strainmeasurement；vibrationmeasurement；opticfibersensor收稿日期：20081016；修订日期：20081202基金项目：国家自然科学基金仪器专项资助项目(No50727904)；国家教育部博士学科点专项科研基金资助项目. (No200070422105)；山东省自然科学基金资助项目(NoQ20007F06) 2658光学精密工程第l7卷引言在振动检测、动态测试应用技术中的各种振动传感器，首推测量精度高、频率范围广、电气绝缘、不会引起电网谐振，比机械式和电气式传感器抗干扰性能好的光学式振动传感器。这也是目前国内外很多学者转而研究如激光全息法、激光三角法、干涉法、激光多普勒效应法、光纤与微机电. (MEMS)法和散斑法使用的各种光学振动传感器的原因之一。其中，在光纤通信中的成熟的光纤耦合技术基础上，研制成功一种全光纤器件的高性能耦合型光纤声振动传感器，以其测量频带宽，灵敏度高，解调、制作成本低，使用简单等优点，受到越来越多的关注。本文对该类型光纤耦合的耦合模进行了理论分析，以单模光纤耦合器为基本结构，进行器件特殊设计与封装，在分析光纤耦合传感机理的基础上，改变单模光纤耦合器的熔融拉锥过程中的结构参数(如耦合长度和耦合区折射率变化)，使之对外界的静态应变和动态激励有较高灵敏的响应，从而实现了对应变和振动参数的监测。2单模光纤耦合及耦合传感理论分析单模光纤耦合器的制作过程是将两根相同的单模光纤中部的涂覆层剥去，用酒精清洗干净，平行置于熔融拉锥机中，放在高温下进行加热熔融，同时通过夹具向光纤的两端拉伸，当拉伸达到一定长度，两光纤之问就会发生能量的交换，最终在光纤的加热区形成双锥形式的特殊波导结构。由于熔融拉伸使加热区的直径逐渐减小，耦合器的性能参数也会随之不断发生变化，形成以包层为纤芯，芯外介质作为新包层的新的复合光波导结构，如图1所示。：i图1熔锥形光纤耦合器结构示意图 Fig1 Structurediagram offusedfibercoupler当入射光P。进入输入端，随着两个光波导逐渐靠近，两个传导模开始发生重叠现象，光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。可以假设，光波最初从一个光纤输入，传输一定距离后，这部分光就会逐渐交换到另一光纤内传输，然后又会逐渐返回到最初的光纤中传输，整个传输过程随耦合距离呈周期性的变化与能量交换。制作光纤耦合器时，在耦合区内的熔融区部分，两根光纤的位置可以认为相互平行且靠的足够近，可以利用模式耦合理论对耦合器的传输性能和能量分布进行分析。根据耦合模理论，沿耦合区的纵向(图1中z轴的方向)，两波导问的横向耦合可用一阶微分方程组表示如下：. Iu一(+c)。CAJziA+i。. (1) IU Z一(+。A+CA I ic)。i. 式中：A和A为两光纤的模场振幅；和为两光纤在孤立状态下的传播常数；C和C。为光纤的自耦合系数；C和C，为互耦合系数。自耦合系数相对互耦合系数很小，可以忽略，且近似有C一C。一C。假设入射光从光纤耦合器的一端进入，其边界条件为A(0)一1，A。(0)一0，由玻印廷(poynting)理论可以解得两输出口的光功率为：P一Az-s. +-c一c。 ()snc+C+A)一i2yj，zzz-(222(2)其中，一一，在同步的条件(传播常数相同)下，一0，(即J8一时)上式可以简化为：. fPA1()一COS(1c()dz) l，. (3) 1PA2(z)一sin(1c(2：)d)光纤耦合器的输出耦合比可以表示为：RPA(PA4-PA)×100 = COS。(1c(2：)dz)×100，. (4) 第1l期蒋奇，等：单模光纤耦合传感器的设计根据上述表达式可看出，光功率随耦合区的长度的变化进行周期性的变换，耦合区长度的变化可以通过输出端两输出光功率比值的变化来反映。利用这一特性，将耦合器耦合区粘贴在不同的拉压被测物体上，可以得到不同的灵敏度，实现对外界物体应变的测量。当外界的扰动或振动在传感器的耦合区传播时，会引起耦合区长度和折射率的规律性变化，这种变化对耦合区光功率的传播产生影响，导致耦合传感器的输出随振动信号的变化而改变，耦合传感器输出端的差动输出功率与人射光功率的关系可以表示为l3J：. AP一. 2 n( )cos2 '(5)式中，M是扰动造成的耦合常数变化的幅值，为归一化频率，为扰动或振动信号的频率，z为耦合区长度。从该公式分析知，耦合输出是耦合器长度和振动频率的函数。对应的耦合区长度愈长，传感器的灵敏度越高，但传感器的截止频率就会越低。所以为了使传感器具有较高的灵敏度和较大的频响区间，试验中要选取合适的传感器耦合区长度。3单模光纤耦合静态特性分析光纤耦合器受到外力引起耦合区长度变化，相应地会引起耦合比的变化，利用这一特性，采用康宁. SMF28单模光纤拉制成光纤耦合传感器。一其参数. 11460，21456，一8×lO，口为. 1550nm。选用单向连续碳纤维增强复合材料作传感器测试基底，把耦合器传感器的耦合区粘贴在复合材料上后，再固定在微应变仪上，改变微应变仪对复合材料的拉压变形，观察耦合器两端的输出。实验系统由激光光源、衰减器、光谱分析仪和微应变仪等组成，其中，单模光纤耦合器选用的耦合输出比为. 50：5O，入射光源是深圳朗光公司生产的ASE150型宽带光源，输出带宽为. 15251560nm，输出光功率为. 20mw，选用的. AQ6317C光谱分析仪，实验装置实物如图. 2所示。图. 3是耦合器耦合比与微应变仪拉伸和压缩的变化，它们的线性度比较理想，其中压缩时的线性拟合曲线为R一一00487S+497，式中. S为微应变的变化量，单位为，R为耦合输出比，单位为。图2实验装置实物 Fig2 Experimentsetupand truepicture (a)拉伸时的耦合比变化. (a)Couplig airaitnrtovaitonwihpul ll (b)压缩时的耦合比变化. (b)Coupling ratiovariation withpresss图3耦合器受到拉压的耦合比变化 Fig3 Coupling ratiovariationwith couplerstrain由式(5)可知，耦合器的输出功率也是耦合系数和耦合长度的函数，而耦合系数由耦合光纤的截面形状、折射率、两光纤的中心距离等因素决定。温度、横向扰动会对耦合区的折射率和耦合区的形状产生影响，因此，制作耦合器的外部封装材料的温敏特性和力学特性对耦合器的输出影响较大。实验中，本文选用了硅弹性树脂作为耦合区的包层材料，其温度特性与光纤相匹配，封装后光学精密工程第l7卷的耦合器粘贴材料选用糊状环氧胶，双组分糊状，耐热性好，强度高。实验测量了一1O40。C时耦合器的输出比随温度和横向应变(图1的方向)影响的特性变化的曲线，如图4所示。由此，可看出耦合传感器的耦合比与外界温度变化呈现近似线性关系，而且还能根据耦合比的变化方向分辨出温度变化的方向。在一1O40，耦合比从. 492增加到509，由温度产生的误差<2，输出变化的拟合曲线方程为. R一000034t+ 00234t+4639，式中. t为温度的变化量，单位为，尺为耦合输出比，单位为。有试验表明l1引，在耦合区的外臂若采用结晶毛细石英管，耦合比为10969o时，温度漂移可以稳定在. 0A以内。从图4b可看出对耦合光纤传感5o()，器施加横向的拉力或压力变化时，由于耦合区的体积很小，产生的形变几乎可以忽略，耦合器的输出比基本没有什么变化，器件呈现出非常良好的抗干扰性。. (a)温度对输出耦合比的影响 (a)Efffectoftemperatureoncoupling ratio (b)横向应变对输出耦合比的影响. (b)Efffectoftransversestain on coupling ratio图4温度、横向应变对耦合器输出比的干扰影响. Fig4 Efffectsoftemperatureand transverseinter feecncplnrtosrneoouig ai4单模光纤耦合传感器动态特性分析将上述的耦合型光纤传感器粘贴在被测对象上，可以简化为由集中质量、集中刚度k和集中阻尼. c组成的二阶单自由度受迫振动系统，其振动力学模型可以表示为：；+2立+z一-。，. 6)g(其中，代表质量块. m相对于传感器壳体的运动；。是传感器壳体的加速度(即要测量的对象的加速度)；为系统的固有频率，叫. =志m；为阻尼比，一=。由于耦合器产生的应变. e 2mk是一个很小的量，所以输出功率差可以近似为【：. AP=一sin2Cl一2Cl一一CZIZLm3。5。"1) 。，. n. (7)其中，C为光纤耦合系数，L是耦合器耦合区的长度。由式(7)可知，耦合器两输出端的输出功率之差与激振源的振动加速度成线性关系。因此，可以通过测量耦合器输出功率变化求出传感器加速度的值，实现对振动的测量。当振动频率较低时，由于振动传导在被测介质内的振动波长较长，振动对耦合区的折射率的变化影响并不明显，振动对耦合输出的影响主要表现为通过特定的外部结构使振动引起耦合区长度的改变，从而导致耦合输出的变化；而高频振动信号引起耦合输出的主要表现为振动引起耦合区折射率的变化，导致耦合系数发生变化。根据光纤耦合振动传感器的工作原理，设计了由等强度悬臂梁、光源、单模光纤耦合传感器、压电振动传感器、光电转换、差动接收放大电路、滤波器和信号处理单元等部分组成的振动检测实验系统，如图5所示，图5(a)中V和分别为耦合器两个端口的解调输出电压，激光光源发出的光进入耦合型光纤振动传感器，传感器的两个输出臂发出的光通过光电二极管接收，然后对放大后的电信号，进行高频噪音信号滤波和AD转换，进入计算机进行信号显示及分析处理。其中，对光电转换后的信号进行差动比较放大，目的是为了抵消光源输出功率的波动和外界噪声信号对测量结果的影响。系统光源采用. FPID半导体第. 111期蒋奇，等：单模光纤耦合传感器的设计激光器，工作波长为. 1310nm，输出光功率为3mW。放大电路前端采用. AP0917TP光电二极管，响应时间为03ns，最大额定电流为5InA，用于保证测量转换电路的快速响应。AD转换模块采用研祥公司生产的ADLINK2205型. AD转换卡，采样速率为500kHzs，分辨率为12bit。测试前将梁的中部用酒精搽洗干净，用环氧树脂将光纤耦合传感器和压电振动传感器粘贴在横梁的纵向的表面上，粘贴时要保证它们在梁上的纵向位置相同，横向靠近且方向一致，避免因梁剪切应变引起的测量误差。压电振动传感器选择的是专门用于振动和加速度测量的YJ9A型传感器，测量频率为. 1lOkHz，测量加速度最大为. 2000 ms一通过该压电振动传感器和光纤耦合振动传感器探测感应同样的扰动信号，对比测试，分析它们的动态性能。il厂再. Couplng Photoeectri lllightsource conversion E 一. XC “elter 罔. r吾l l 10l一一图5光纤耦合器振动测试实验系统结构5 Diagram ofvibrationtestsystem forfibercoupler实验中，采用冲击激励来检验光纤耦合振动传感器和压电振动传感器在较宽频段上的响应特性，图6是单模光纤耦合器的时域(上图)和频域. (下图)分布图。图7是压电传感器的时域(上图)和频域(下图)分布图。由此可知，二者都能够很好地测试、分离振动信号的时、频域波形，且频率响应基本一致。在同样的冲击激励下，光纤耦合振动传感器的最大幅值响应达到. 26V，比压电传感器23V的响应高出13。耦合传感器响应快，灵敏度更高些，具有较高的阻尼比，振动响应的持续时问较短，信号收敛的较快。从它们的频域谱图中可以看出，压电传感器测出的悬臂梁的最大幅值响应频率为. 927Hz，稍低于耦合传感器测出的最大幅值响应频率. 931Hz，这是由于压电传感器自身的质量在测量中增加了悬臂梁的质量，使系统的响应频率发生偏移，而耦合传感器因其质量非常轻，在测量过程中对测量对象产. 生的影响可以忽略不计，因而，所得到的悬臂梁的基频频率更接近于实际值。. ts (a)时域曲线. (a)Hammerresponse专2 1 l1 瓣基： f. L一，、. 吾. 2 yHz (b)频域曲线. (b)Frequency spectrum图6光纤耦合振动传感器的冲击响应时域和频域曲线. Fig6 Hammerresponseandfrequency spectrum of fibercoupler素舌(a)时域曲线. (a)Hammerresponse (b)频域曲线. (b)Frequencyspectrcem图7压电振动传感器的冲击响应时域和频域曲线. Fig7 Hammerresponseandfrequencyspectrum of PZT vibration利用信号发生器产生O5OHz的不同频率的正弦波，激励悬臂梁振动，验证了两传感器的低频响应特性。对每种频率下光纤耦合传感器的响26662光学精密工程第17卷应幅值进行. 5次测量，然后对测量结果取平均，做出传感器在不同频率的响应，其响应曲线如图. 8所示，110Hz是低频耦合型光纤振动传感器的幅值平坦区，1030Hz是共振区，30Hz以上是衰减区。系统在频率为. 214Hz时，其输出输入比为极大值，传感器对输入信号响应的放大倍数约为53(由于阻尼的存在，放大倍数不可能为无穷大)。旦. U 0器鲁. g口图8传感器响应系数与频率的关系. Fig8 Relationofsensorresponseandfrequency利用. PZT压电陶瓷作为振动信号源，信号发生器驱动PZT压电陶瓷产生振动，产生4kHz的周期高频信号，验证两传感器的高频响应特性，如图9和图. 10所示。两种传感器都能很好地复现原始信号，调节压电陶瓷的驱动频率，绘制传感. 吾. 2量. 0 tms (a)高频时域曲线 (a)High frequencytimeresponse 量 0 2_ 3. 546 0 2 (b)频域曲线. (b)Frequencyspectral图9光纤耦合振动传感器的高频响应时域和频域曲线. Fig9 Highfrenquencytimeresponseandfrequency spectrum offibercoupler器随频率的响应曲线，如图. 11所示。由此，可看出光纤耦合型高频振动传感器的响应振幅高于压电传感器的振幅，两种传感器对振动信号的响应基本一致，耦合型光纤振动传感器和压电传感器相比具有较高的灵敏度和信噪比；同时也可看出，传感器系统对. 8kHz以下的信号具有良好的频率响应性能，这说明利用耦合型高频光纤振动传感器进行高频振动信号的测量是有效、可行的。圣釜娶 2一一. 1 l_ O tms (a)高频时域曲线. (a)ghfeeytmersoneHirquncieps兰 _ _ 0 _ C 23 (b)频域曲线. (b)Frequencyspectral图10压电振动传感器的高频响应时域和频域曲线. Fig10 Highfrenquencytimeresponseandfrequen cyspectrum ofPZT vibrationsensor图11耦合型单模光纤振动传感器的高频响应. Fig11 Highfrequencyresponseofcouplingvibra tion sensor 第. 111期蒋奇，等：单模光纤耦合传感器的设计. 26663 5结论本文分析了单模光纤耦合传感器的机理，根据耦合器的耦合输出是耦合区长度和耦合区折射率的特点，搭建耦合传感器的静、动态实验系统，对其应变特性和高、低频振动响应特性分别进行了研究。验证了这种传感器具有应力应变敏感特性，同时具有较好的温度稳定性和横向抗干扰性；证明了该传感器实现对. 8kHz频率以下的振动参考文献：. CHANGJ，MAL，wuT，. teii1ea1Fibroptcv. brationsensorbasedonover-coupledfused coupler cInternationalSocietyforOpticalEngineeer. ing，2007：6595142. 2SHAKIRHS，STREIFERWCoupled. modee. quations for 2 weakly guiding singlemode fibers JOpticsLettters，1986，1 11(5)，324326E3 HONG IF，GECH FThefulllwaveopticalfiber copeftefsdtprdtyiaulrohueaeeJAcaPhscl Sinica，2003，52(2)：3903944 王浩，常军，王青圃，等基于过度耦合融熔双锥耦合技术的光纤振动传感器EJ3光电子. ·激光，2008， 19(5)：573576W ANG H，CHANG J，W ANG Q P，eta1Fiber opticvibration sensor based on over-coupled fused couplerJ. 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