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                                                                    關(guān)鍵詞:光纖；壓力；測(cè)量

    吳志偉
男，碩士，泉州師范學(xué)院物理系，研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)。

1 引言

    光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)；其基本原理是利用光在光纖中傳導(dǎo)，當(dāng)受到被測(cè)量影響時(shí)光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、相位等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。與傳統(tǒng)的感測(cè)技術(shù)相比，其具有體積小、良好的電絕緣性、不受電磁干擾、易于遙測(cè)、可用于一些條件惡劣的測(cè)量環(huán)境等[1,2]。把光纖傳感技術(shù)用于壓力的測(cè)量，則構(gòu)成光纖壓力測(cè)量系統(tǒng)。常見(jiàn)的光纖壓力測(cè)量系統(tǒng)主要有基于微彎效應(yīng)、光彈效應(yīng)、F－P干涉腔、光纖Bragg光柵、OTBR和BOTBR等類(lèi)型[3]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外利用新的原理、新的材料設(shè)計(jì)光纖壓力測(cè)量系統(tǒng)的活動(dòng)十分活躍，不斷有更高精度、體積更小的測(cè)量系統(tǒng)被報(bào)道。本文提出了一種新型的基于光彈效應(yīng)的光纖壓力測(cè)量裝置，與傳統(tǒng)的基于光彈效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)相比其結(jié)構(gòu)更緊湊、精度更高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種方法的可行性。

2 基本原理

    2.1 傳統(tǒng)的基于光彈效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)

    傳統(tǒng)的基于光彈效應(yīng)的光纖壓力測(cè)量系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖1 [4]所示，當(dāng)光在受到壓力的光彈材料中傳輸時(shí)，光的偏振特性會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)對(duì)輸出光束的檢測(cè)就可以得到壓力的大小。由以上分析可以看出，此類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)屬于非功能型，即光纖在測(cè)量系統(tǒng)中僅起到光的傳輸作用。其傳感元件是光彈材料，目前最常用的光彈材料是Araldite CT200熱固性環(huán)氧樹(shù)脂。

    2.2 新型的基于光彈效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)

    本文所提出基于光彈效應(yīng)光纖壓力測(cè)量裝置屬于功能型器件，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：用光纖代替原來(lái)獨(dú)立的光彈材料作為傳感元件，即光纖在測(cè)量系統(tǒng)中不僅僅是光的傳輸通道，也是傳感元件。石英玻璃是一種優(yōu)越的光彈材料，其彈性模量和質(zhì)量系數(shù)均很高、在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)應(yīng)力－應(yīng)變成線性關(guān)系的、沒(méi)有諸如蠕變和時(shí)間－邊緣效應(yīng)缺陷等；而且石英玻璃是一種化學(xué)穩(wěn)定的物質(zhì)，不受濕度變化的影響，對(duì)環(huán)境溫度正常變化的反應(yīng)相比于其他的光彈材料而言也較小。隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，使得將以石英玻璃為主要材料的光纖作為光彈元件來(lái)使用成為可能。

    在實(shí)際使用中采用的是單模光纖，單模光纖在外界壓力作用下會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)雙折射－光彈效應(yīng)。光纖的這種雙折射將使其中傳輸光波的偏振態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，也即是光波的相位發(fā)生變化。對(duì)輸出光束的相位進(jìn)行檢測(cè)，就可以得到外界壓力的大小。根據(jù)偏振光學(xué)的理論，若光纖的長(zhǎng)度為，則相應(yīng)的相位差可以表示為：
                                      （1）
    其中為光束波長(zhǎng)；B為歸一化的雙折射率，不同的受力方式和大小將產(chǎn)生不同的B值，下文將對(duì)其進(jìn)行具體的分析。能夠使光纖發(fā)生誘導(dǎo)雙折射的受力方式通常有三種：彎曲、側(cè)壓、扭轉(zhuǎn)。
彎曲作用下光纖的歸一化雙折射率可以用式（2）來(lái)近似表示：
                              （2）
    式中為光纖的半徑，R為光纖彎曲的曲率半徑。二者的比值由加載在光纖表面的張力大小決定。

    側(cè)壓作用下光纖的歸一化雙折射率可以用式（3）來(lái)近似表示：
　　                          （3）

    式中為光纖半徑，F(xiàn)為光纖受到壓力。

    扭轉(zhuǎn)作用下光纖的歸一化雙折射率可以用式（4）來(lái)近似表示：

                                            （4）

    式中N為每米光纖扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)，為光束波長(zhǎng)。N反映的是光纖受剪切力的大小。[5,6,7,8]

3 實(shí)驗(yàn)裝置

    本文所提出光纖壓力測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。此測(cè)量裝置由7個(gè)部分組成：光源、起偏器、/4波片、光纖、檢偏器、光電元件、數(shù)據(jù)處理。光源發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)起偏器，獲得線偏振光，再經(jīng)過(guò)/4波片后線偏振光變成圓偏振光 （圓偏振光能夠?qū)文９饫w中各個(gè)模態(tài)進(jìn)行均勻激勵(lì)）；調(diào)制后的光束通過(guò)外力作用下的單模光纖，由于光彈效應(yīng)的作用，輸出光束的相位發(fā)生改變；用檢偏器對(duì)輸出光束進(jìn)行調(diào)制，并將其分為偏振態(tài)正交的兩束光 ；兩束光分別通過(guò)光電元件將光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電壓量，利用后續(xù)電路對(duì)兩個(gè)電壓量進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，使處理后的電壓量與光束相位改變量的正弦值成線性關(guān)系，即
                                       （5）

    再利用式（1）就可以反求出外界壓力的大小。實(shí)驗(yàn)裝置中采用雙光路檢測(cè)的方法，能夠有效地減少檢偏之前引入的誤差，達(dá)到提高檢測(cè)精度的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

    圖3所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出在一定的壓力范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的電壓量與外界壓力之間近似成正弦關(guān)系，即
　　                                （6）

    式中K，K1為常數(shù)。

    聯(lián)立式（1）和式（3）可以得出：

　　                                    （7）
　　

    式中 為常數(shù)。聯(lián)立式（5）和式（7）可以推出：
　　 　　　                         （8）

    對(duì)比式（6）和式（8）可以得出：在一定的壓力范圍內(nèi)，理論推導(dǎo)的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較好地吻合。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種新的基于光彈效應(yīng)光纖壓力測(cè)量裝置是可行的。

5 總結(jié)

    理論推導(dǎo)和初步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為這種新型壓力測(cè)量裝置的進(jìn)一步研制、開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。這種光纖壓力測(cè)量裝置最大的優(yōu)點(diǎn)是：光纖作為光束傳輸?shù)耐ǖ溃瑫r(shí)又作為傳感的元件。裝置的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，并且能夠方便地實(shí)施遠(yuǎn)距離的遙測(cè)。這就使得這種測(cè)量裝置能夠更好地被應(yīng)用于一些惡劣的環(huán)境中；同時(shí)由于作為傳感元件的光纖本身抗干擾能力強(qiáng)，所以測(cè)量的精度也能得到很好的保證。隨著技術(shù)的不斷成熟，這種新型的基于光彈效應(yīng)光纖壓力測(cè)量裝置一定能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研、軍事等各個(gè)方面。

參考文獻(xiàn)：

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