保偏光纤Bragg光栅传感特性的实验研究重点Word格式文档下载.docx
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摘要:
设计了一种基于保偏光纤Bragg光栅（PMFBG的横向负载传感方案,实验研究了PMFBG对横向负载、轴向应变和温度的传感特性。
研究结果表明:
PMFBG两谐振波长对温度和轴向应变的灵敏度近似相等,而对横向负载的灵敏度各不相同;
PMFBG两谐振波长之差对横向负载的灵敏度取决于负载作用方向与保偏光纤快轴（或慢轴之间的夹角,而不受温度和轴向应变的影响,实验得到的最高灵敏度为0.031nm/kg。
基于PMFBG的横向负载传感测量系统在称重等领域具有广阔应用前景。
关键词:
保偏光纤;
光纤Bragg光栅;
横向负载;
温度;
轴向应变
中图分类号:
TN253文献标识码:
A文章编号:
1007-2276（2008增（几何量-0107-04
Experimentalstudyonthesensingcharacteristicsof
polarization-maintainingfiberbragggrating
WEIYing,JIAOMing-xing
（DepartmentofPrecisionInstruments,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China
Abstract:
Basedonthepolarization-maintainingfiberBragggrating（PMFBG,asensingschemeoftransverseloadwasdesigned,andthePMFBGsensingcharacteristicsonthetransverseload,axialstrain,aswellastemperaturewasstudiedexperimentally.TheresultsindicatedthatthetworesonantwavelengthsofPMFBGhadnearlyequalsensitivitiestothetemperatureandaxialstrain,buttheirsensitivitiestothetransverseloadwereunequal;
thesensitivityofPMFBGwavelength-differencetothetransverseloaddependedontheanglebetweentheloaddirectionandthefastorslowaxisofthepolarization-maintainingfiber,anditwasfreefromthechangesoftemperatureandaxialstrain.Theexperimentallyobtainedsensitivityofwavelength-differencetothetransverseloadwasashighas0.031nm/kg.ThePMFBG-basedtransverseloadsensingandmeasuringsystemwillbefoundwideapplicationsinthefieldsofweighing,etc.
Keywords:
Polarization-maintainingfiber;
FiberBragggrating;
Transverseload;
Temperature;
Axialstrain
0引言
目前使用的光纤Bragg光栅（FBG传感器只对温度和轴向应变敏感,而对径向应变不敏感[1],但在
实际应用中,径向应变信息的传感测量也很重要。
采
用保偏光纤制作的Bragg光栅（PMFBG,可以实现压力、温度或轴向应变的传感测量[2-3]。
主要对PMFBG的横向负载灵敏度进行研究,为称重[4]、多
108红外与激光工程:
高精度几何量光电测量与校准技术第37卷
参量测量[5-6]等应用奠定基础。
1传感原理
用相位掩模法在高双折射保偏光纤上写入Bragg光栅,相当于分别在保偏光纤的快轴和慢轴上写了两个Bragg光栅。
这两个光栅的周期Λ相同,但有效折射率不同,分别用nx和ny表示,相应的谐振波长分别表示为[2]:
2xxnλΛ=,2yynλΛ=（1
这两个谐振波长之差为:
2（2yxyxnnnλλΛΛ−=−=∆（2
理论分析可知,当PMFBG受到横向负载作用产生应变时,快轴和慢轴上的谐振波长偏移量∆λx和∆λy的差值可表示为[7]:
2
12110（（12yxynppλλνελ∆−∆=−+（3式中:
εy为光栅在横向负载方向产生的应变;
λ0为
PMFBG的中心反射波长;
n0为纤芯的有效折射率;
p11,p12为光纤的弹光张量;
υ为石英材料的泊松比。
对于给定的光纤,式中的n0,p11,p12,υ都是常数。
从公式（3可以看出,当对PMFBG施加横向负载时,两谐振波长之差值将发生变化,并且仅与横向负载成线性关系,而与轴向应变及环境温度变化无关。
当横向负载方向与保偏光纤快轴平行或垂直时,保偏光纤的快轴和慢轴所受的应力方向相反,引起折
射率nx和ny的变化方向也相反,
PMFBG谐振波长的变化较大[8]。
因此,当横向负载方向与保偏光纤的快轴平行或垂直时,PMFBG谐振波长对负载最敏感,波长差对横向负载也最敏感。
当横向负载的方向与保偏光纤的快轴约45°
时,保偏光纤快轴和慢轴受到的应力大小相当且符号相同,引起折射率nx和n
y变化相同,导致PMFBG两谐振波长的变化相同。
因此,当横向负载方向与保偏光纤快轴夹角约45°
时,PMFBG谐振波长对负载最不敏感,此时波长差对横向负载的灵敏度也最小。
2实验研究结果与分析
2.1PMFBG横向负载传感特性研究
PMFBG横向负载传感实验系统如图1所示,图
中虚线内为加载装置,将裸PMFBG和直径相当的匹配光纤放在一定厚度的接触材料中间,再在其上下加
图1PMFBG横向负载传感系统示意图Fig.1SchematicdiagramofPMFBGtransverse
loadsensingsystem
上金属板,并用砝码作负载加到金属板上。
将光栅附近的尾纤固定到刻度盘的中心线上,转动刻度盘可改变PMFBG的受压角度。
接触材料选用明胶片,具有温度稳定性好、不易变形、延展性小等特点,既能很好地传递横向载荷,又能缓冲保护光纤。
实验所用宽
带光源ASE的工作波长范围为1525~1610nm,光谱分析仪OSA的分辨率为±
0.01nm,熊猫型PMFBG的光栅长度为4cm,其反射谱如图2所示,两个谐振波长分别为1552.562nm和1552.932nm,带宽分别为0.158nm和0.157nm,反射率均为50%。
不同
图2PMFBG光谱图Fig.2SpectrumofPMFBG
角度时PMFBG两谐振波长及其波长差随横向负载的变化规律如图3和图4所示。
通过刻度盘改变载荷作用方向与保偏光纤快轴（或慢轴之间的夹角,实验研究PMFBG两谐振波长及其波长差的横向负载灵敏度随载荷作用方向的变化规律。
实验用PMFBG的两个谐振波长分别为1552.538nm和1552.915nm,带宽分别为0.183nm和0.185nm,反射率均为50%,测得的实验曲线如图5所示。
可以看出:
PMFBG两
增刊
魏颖等:
109
谐振波长和波长差的横向负载灵敏度取决于载荷作用方向,0°
时PMFBG波长差的横向负载灵敏度达到最大值0.031nm/kg,对应的快轴和慢轴谐振波长的灵敏度分别为0.008nm/kg和0.039nm/kg。
可以预测,90°
方向与保偏光纤的快轴几乎平行,而0°
方向与慢轴几乎平行。
图3不同角度时PMFBG
波长随横向负载变化规律
Fig.3DependenceofPMFBGwavelengthon
transverseloadatdifferentangles
图4
不同角度时PMFBG波长差随横向负载变化规律Fig.4DependenceofPMFBGwavelength-difference
ontransverseloadatdifferentangles
图5不同角度时PMFBG的横向负载灵敏度曲线
Fig.5Transverseloadsensitivitycurvesof
PMFBGindifferentangles
2.2PMFBG温度传感特性研究
采用水浴法对PMFBG的温度传感特性进行实验研究。
将PMFBG置于一个温度可调的水容器中,进行升温和降温实验,并用最小刻度为0.01℃的温度计监测水温变化,PMFBG的两谐振波长随温度的变化规律如图6所示。
从两条拟合直线的斜率可知:
两个谐振波长的温度灵敏度分别约为0.01097nm/℃和0.01046nm/℃,即保偏光纤快轴和慢轴的温度特性差异很小,可以认为二者几乎相等（受光谱分析仪分辨率限制;
波长差随温度的变化规律如图7所示,温度灵敏度约为-0.0005nm/℃。
图6PMFBG波长随温度的变化规律
Fig.6DependenceofPMFBGwavelengthontemperature
图7PMFBG波长差随温度的变化规律Fig.7DependenceofPMFBGwavelength
differenceontemperature
2.3PMFBG轴向应变传感特性研究
用SY-40胶将PMFBG的光栅两端粘在等强度悬
臂梁上表面的中轴线上,然后在悬臂梁自由端加砝码使其发生变形,带动PMFBG产生轴向应变。
实验结果如图8所示,可以看出两谐振波长的灵敏度相同。
图9为PMFBG的波长差变化曲线,变化范围仅有0.012nm,说明波长差对温度不敏感。
110
红外与激光工程:
图8PMFBG波长随轴向负载的变化规律。
Fig.8DependenceofPMFBGwavelengthonaxialload
图9PMFBG波长差随轴向负载变化曲线
Fig.9DependencecurvesofPMFBGwavelength-differenceonload
3结论
PMFBG与通常的FBG不同,两个光学主轴使它具有两个不同的谐振波长。
实验研究表明:
当PMFBG
受到温度和轴向应变作用时,两个谐振波长具有相同变化趋势,二者的灵敏度差别不大,即波长差对温度和轴向应变不敏感;
当PMFBG受横向负载作用时,两个谐振波长的灵敏度取决于负载作用方向和两个光学主轴间的夹角,当负载方向与慢轴平行时波长差的灵敏度最高。
所以,只需用PMFBG的波长差就可以实现横向负载的传感测量,而轴向应变和温度的变化对它几乎没有影响。
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