保偏光纤Bragg光栅传感特性的实验研究

1、第37卷,增刊 红外与激光工程 2008年4月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Apr. 2008收稿日期:2008-03-20基金项目:国家自然科学基金(50775180,西安理工大学特色研究计划(102-210614作者简介:魏颖(1981-,女,河北蠡县人,硕士,主要研究方向为光电测量技术。Email:weiying0312导师简介:焦明星(1962-,男,陕西高陵人,博士,教授,博士生导师、主要研究方向为激光传感与测量技术方面。Email: jiaomx保偏光纤Bragg 光栅传感特性的实验研究魏 颖,焦明星(西安理工

2、大学 机械与精密仪器工程学院 精密仪器系,陕西 西安 710048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0.031 nm/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;

3、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-0107-04Experimental study on the sensing characteristics ofpolarization-maintaining fiber bragg gratingWEI Ying, JIAO Ming-xing(Department of Precision Instruments, Xi an University of Technology, Xi an 710048, ChinaAbstract: Based on the polariza

4、tion-maintaining fiber Bragg grating (PMFBG, a sensing scheme of transverse load was designed, and the PMFBG sensing characteristics on the transverse load, axial strain, as well as temperature was studied experimentally. The results indicated that the two resonant wavelengths of PMFBG had nearly eq

5、ual sensitivities to the temperature and axial strain, but their sensitivities to the transverse load were unequal; the sensitivity of PMFBG wavelength-difference to the transverse load depended on the angle between the load direction and the fast or slow axis of the polarization-maintaining fiber,

6、and it was free from the changes of temperature and axial strain. The experimentally obtained sensitivity of wavelength-difference to the transverse load was as high as 0.031nm/kg. The PMFBG-based transverse load sensing and measuring system will be found wide applications in the fields of weighing,

7、 etc.Key words: Polarization-maintaining fiber; Fiber Bragg grating; Transverse load; Temperature;Axial strain0 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

8、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。这两个光栅的周期相同,但有效折射率不同,分别用n x 和n y 表示,相应的谐振波长分别表示为2:2x x n =,2y y n = (1这两个谐振波长之差为:2(2y x y x n n n = (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x 和y 的差值可表示为7:212110(12y x y n p p =+ (3 式中:y 为光栅在横向负载方向产生的应变;0为PMFBG 的中心反射波长;n 0为纤芯的

9、有效折射率;p 11,p 12为光纤的弹光张量;为石英材料的泊松比。对于给定的光纤,式中的n 0,p 11,p 12,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n x 和n y 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

10、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n x 和ny 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2.1 PMFBG 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1 PMFBG 横向负载传感系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of PMFBG transverseload sens

11、ing system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1 5251 610 nm ,光谱分析仪OSA 的分辨率为±0.01 nm ,熊猫型PMFBG 的光栅长度为4 cm ,其反射谱如图2所示,两个谐振波长分别为1 552.562 nm 和1 552.932 nm ,带宽分别为0.158 nm 和0.157 nm ,反射率均为50%。不同图2 PMFBG 光

12、谱图 Fig.2 Spectrum of PMFBG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1 552.538 nm 和1 552.915 nm ,带宽分别为0.183 nm 和0.185 nm ,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:保偏光纤Bragg 光栅传感特性的实验研究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

13、°时PMFBG 波长差的横向负载灵敏度达到最大值0.031 nm/kg ,对应的快轴和慢轴谐振波长的灵敏度分别为0.008 nm/kg 和0.039 nm/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.3 Dependence of PMFBG wavelength ontransverse load at different angles 图4不同角度时PMFBG 波长差随横向负载变化规律 Fig.4 Dependence of PMFBG wavelength-diff

14、erenceon transverse load at different angles 图5 不同角度时PMFBG 的横向负载灵敏度曲线Fig.5 Transverse load sensitivity curves ofPMFBG in different angles2.2 PMFBG 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0.010 97 n

15、m/和0.010 46 nm/,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-0.000 5 nm/。图6 PMFBG 波长随温度的变化规律Fig.6 Dependence of PMFBG wavelength on temperature图7 PMFBG 波长差随温度的变化规律 Fig.7 Dependence of PMFBG wavelengthdifference on temperature2.3 PMFBG 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

16、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0.012 nm ,说明波长差对温度不敏感。110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 图8 PMFBG 波长随轴向负载的变化规律。 Fig.8 Dependence of PMFBG wavelength on axial load 图9 PMFBG 波长差随轴向负载变化曲线Fig.9 Dependence curves of PMFBG wavelength-difference on load3

17、 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。参考文献:1 李川,张以谟,赵永贵.等.光纤光栅:原理技术与传感应用M.北京:科学出版社,2005.2 王伟,孟洲,杨华勇.等.熊猫型保偏光纤光栅温度和压力传感特性研究J.传感器世界,2006,12 (6:23-26.3 张先臣.利用光纤双折射效应实现应变和温度同时测量J.仪器仪表学报,