基于非本征珐布里-泊罗干涉仪的多路复用应变测量传感技术

刘 琨

（沈阳职业技术学院，沈阳 110045）

基于非本征珐布里-泊罗干涉仪的多路复用应变测量传感技术

刘 琨

（沈阳职业技术学院，沈阳 110045）

0 引言

那些能感应自身所处环境并作出反馈的材料变得越来越重要[1]。低成本传感器、执行器和控制系统的综合产物天生就能出色地监控原料的处理情况,主动地控制原料的形状和运动并且可以指出损害和次品的肇端。要具备以上特点并能对环境改变做出反应,系统必须基于大型的、巧妙结合功能的结构之上。由于其小巧的体积和已被证明的嵌入能力,光纤传感器极具吸引力的选择。特别是EFPI已被广泛应用于局部压力等多种测量中。因它具有高灵敏度和抗电磁干扰能力,还能在多种环境中运行[2]。然而,EFPI还存在一个问题是它提供的是微分测量而不是绝对测量。另一个问题是总体上缺少实时读取设备。本文讨论EFPI的工作原理,分析它的局限,敢提出克服绝对测量中缺陷的方法。

1 非本征珐布里-泊罗干涉传感器

EFPI传感器是用于智能材料和智能结构健康监测的光纤传感器之一。EFPI是一种干涉型传感器,它的探测强度可以依据测量参数调整。

EFPI传感系统包含一个单模激光二极管,这个二极管通过一个耦合器照在珐布里-泊罗腔上。这个腔是在一个输入单模光纤和一个反射单模或多模光纤之间形成的。这个输入光纤和反射光纤是用一根中空的硅光纤连接在一起的。腔两端的没有涂层的端面会各自产生4%的菲涅尔反射。第一次反射R1,称为参考反射,是独立于实际干扰的。第二次反射,R2,称为感应反射,是和腔长d有关的,而d又是根据实际干扰调整的。这两束反射波相干,倘若光程差小于光源的相干长度,那么探测到的光强I就会按照腔长函数变化。

I0取输出强度最大值处,相应λ就是激光二极管的中心波长。

EFPI有能力测量次埃尺度的位移并且被报道为最适于嵌入结构的光纤光学传感器[3],它的局限性阻止了它与用于精确感应的材料和结构的完全结合。此外,若实际压力的方向有改变或在正弦变换函数曲线的最值点发生任何干扰,系统都不可能探测到它。加之需要使用复杂昂贵的外沿计算技术来加速处理获得的数据。白光干涉测量是一种光学反相关技术,它能够精确测定干涉仪两臂的光程差从而允许EFPI的完全解调。

2 白光干涉测量法光路匹配(WLIPM)

WLIPM是基于这样一个原理,如果一个干涉仪的光程差比光源的相干长度大,那么干涉仪中两束光波的传播将不能产生时间相干的干涉条纹。然而如果结构中存在的第二台干涉仪会导致它的光程差同第一台干涉仪的光程差相匹配,这两束光波之间总光程差会小于光源相干长度,而这样两束光波将会相干。当两束光波光程差为零时,他们的相干度达到最大就能看到它们的时间相干图案[4]。图1就是这个概念。

WLIPM传感系统有三种基本构成原理:1)基于反射,2)基于透射,3)基于麦克尔逊干涉。这三种方法中,反射和透射在应用中是最有利的,因为输入导线非敏感性限制了对传感间隙的测量。因在透射构造中存在大量直流成分,基于反射原理的系统就成了首选结构。任何WLIPM设备的物镜都要用一个珐布里-泊罗扫描干涉仪来匹配位于远处的EFPI传感器的腔长。当此情况发生时,一对匹配的EFPI传感器或扫描仪就会产生干涉图案。

图1 白光干涉光程匹配系统

图2 白光干涉光程匹配结构

图2中给出的解调方法可以解调这个信号。一种扫描方法是用一个变化间隙的EFPI去匹配传感EFPI。这个方法在速度上有局限。图2(b)中给出了另一种改进响应频率的方法。这里用一个线性排列CCD来捕捉远处EFPI传感器返回的光谱。图2(b)中的展示的是一台菲索楔形干涉仪。它的腔长按楔形函数变化可以作为光学反相关器。通过一个腔长为D珐布里-泊罗传感器传播的光强在菲索干涉仪的平镜之间距离达到D位置达到传输最大。CCD排列上的每一个像素都对应珐布里-泊罗腔长的一个特殊长度,而像素读取到的最大光强点给出了EFPI传感器的间隔D。在一些情况下光纤光学传感器的输出经过处理可以得到应变,温度或压力等信息。对于应变计的输出可以用下列关系式计算:

其中,ΔLfizeau是CCD排列上测量到的菲索腔的有效宽度,α是菲索干涉仪的两片平面镜之间的角度,Lgage是EFPI传感器的度量长度。其他的测量法也类似的用上式计算。

3 多分复用光纤传感器

WLIPM技术的一个优点是能够在一个传感系统中对多个传感器进行多分复用,从而降低测量系统的整体价格。目前商业用途中只有光学时域反射计(OTDR)具有相似的运行多分复用传感器的能力。然而由于它对光源及其敏感要求非常窄的脉冲光源,OTDR系统的苛刻限制不能满足用于原料探测。光路匹配干涉技术能解决这种对大型分布式多元传感系统的需求。

试验证明一个由不同间隙长度的EFPI组成的基于反射原理的白光光路匹配系统可以用一台扫描设备同时连续提取数据。这个构造能即时描绘出一个结构或材料上应变和温度分布情况。此系统有很多优势使得这个方法很有吸引力。它可以得到绝对测量结果并且不依赖于初始条件。其次,单光源或单测量系统的应用极大的降低了运行成本。为了此系统的最大性能,EFPI反射信号的强度应达到最大值。增进性能可以通过在EFPI光纤端面覆盖一层金属或多层绝缘层来完成。

A1:输入光纤反射波振幅可以用分解面反射系数来表示。第二次反射振幅可以用第一次反射的振幅来表示,关系式如下

式中t是传播系数,a是纤芯直径,s是间隙宽度,NA是光纤的数值孔径。入射到下一个传感器的光大约是1-A2。传感器的输出强度要用反射光振幅表示。

式中q 是两束反射波的相位差。考虑到连续传感器的光强最大值

式中A3和A4第二台EFPI的反射波波长。解这个表达式,得到t从而得到服从相同强度EFPI运行所需的反射图层。

初步试验中,具有不同初始间隙的EFPI传感器接收到一束光波。所有用于制造这些传感器的光纤端面都覆盖了一薄层金,这样大约能增加大约40%的分界面反射。一个低精度EFPI腔被用于为传感器扫描不同腔长的范围。传感器的输出信号会在下面的图4中展示出来。如图所示每个传感器信号的条纹可见度都依传感器在系列链中的位置不同而不同。

4 结论

我们讨论了应用全光路匹配技术的EFPI传感器运行原理。此技术的基础是将EFPI感应间隙与参考光程差相匹配。当这些距离差在光源的相干长度以内,就产生一个相关包络解调传感器的相干测量输出。数据证明四台EFPI传感器的多路技术是可行的。EFPI的多分复用应用包括大型智能结构系统中的应变和温度测量。这些光纤光学结构会像“神经系统”一样主动控制设备。

[1]R. Claus, Smart materials and structures, Fiber Optic Product News, 1991, 11.

[2]Proc. Fifth Annual Optical Fiber Sensor-Based Smart Material and Structure Workshop, 1992, 8.

[3]Proc. First European Conference on Smart Materials and Structures, 1992, 5.

[4]Mark Johnson, White light interferometry, SPIE,1990.

Extrinsic Fabry-Perot interferometer based multiplexed strain sensing technology

LIU Kun

非本征珐布里－泊罗干涉传感器(EFPI)已经被证明适用于压力和温度的精确测量。我们介绍一种基于白光干涉仪的路径匹配完全测量方法。该系统从参考间隔到EFPI的感应间隔都适用。当这两个波长差在光源的相干长度内时，在系统输出中会产生一个强度包络。相应的路径失谐明确的指出传感器间隙的大小，压力便可以确定。这种应用大量EFPI传感器的多路技术的测量方法是可行的，并且给出四个多分复用设备的实验数据。文中也给出系统优化的理论设想。

非本征珐布里-泊罗干涉仪；完全测量；白光干涉测量；光路匹配；多路复用技术

刘琨(1973－ ),女,沈阳人,副教授,研究方向为电机与电器。

TP391

A

1009-0134(2011)1(上)-0190-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).60

2010-11-15