TFBG的Fabry-Perot干涉型纵向微位移传感研究

刘卫东,王友清,路艳芳,金尚忠,沈常宇

(1.河北省计量监督检测院,河北 石家庄 050051;2.中国计量学院 光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018)

TFBG的Fabry-Perot干涉型纵向微位移传感研究

刘卫东1,王友清2,路艳芳2,金尚忠2,沈常宇2

(1.河北省计量监督检测院,河北 石家庄 050051;2.中国计量学院 光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018)

提出了一种利用光纤Fabry-Perot(F-P)干涉结构的微位移传感器,该F-P干涉结构是由双倾斜光纤光栅(tilted fiber Bragg grating, TFBG)沿轴向错开一定距离构成空气腔形成的.入射光经双TFBG及其高反射端面往返传播,从而构成F-P干涉结构.光纤沿纵(z轴)向移动时,F-P腔的腔长发生变化,致使干涉光谱的自由光谱范围随之产生变化.实验验证,该传感器在0～115 μm的测量范围内获得了高达0.475 nm/μm的灵敏度,较之前提出的光纤光栅型传感器灵敏度提高了近3倍.

光纤传感器;倾斜光纤光栅;微位移测量;Fabry-Perot干涉仪

自从20世纪末光纤光栅产生,作为一种光无源器件,它受到广泛的关注.倾斜光纤光栅传感器(TFBG)作为光纤光栅中的一种,它的光纤传感领域呈现出惊人的潜在价值和广阔的应用前景[1-6],因此受到了各国研究人员的青睐.光纤传感器因为具有低损耗、高精度、抗电磁干扰和电绝缘性等特点而使其可以适应易燃易爆等恶劣环境，因而在传感领域得到应用.然而,TFBG作为光纤光栅的一种,除了FBG的特点还具有与生俱来的独特优点.TFBG是的一种光栅条纹平面是倾斜的,与光纤轴向之间存在一定的角度.当光在纤芯向前传播遇到TFBG时,光纤中向后传播的模式主要有两种,一种是向后的纤芯模式(和FBG的特性相同);还有一种是向后传播的包层模式(类似LPG的特性).TFBG不仅具有普通FBG的特性(纤芯导模间的耦合),还具有同长周期光纤光栅(LPG)相似的特性(纤芯导模与包层模之间的耦合).因此,TFBG同时兼有FBG和LPG两种光纤光栅的优点,并且凡是LPG适合的传感功能,TFBG都适合.故而,在光纤传感领域的应用范围比FBG或者LPG更广阔.

随着对光纤传感器研究的不断扩展,光纤位移传感器也得到了广泛的关注.目前的光纤位移传感器较多为反射式光纤位移传感器[7-8],其原理为光源发出的光经过光纤射向被测物体的表面发生反射,通过接收反射光并测量,得到被测位移量.不过,这种测量的位移范围小且系统结构复杂[9].由于TFBG能够测量应变参量,因而对位移的监测也在其范畴之内.并且它兼有FBG和LPG的特点,比反射式位移传感具有精度高,结构简单等特点.Guo T[6]提出了一种不均匀的TFBG微位移传感器,利用该TFBG透射光谱中ghost mode功率对外界的位移参量变化非常敏感:压缩方面的灵敏度为8.2 μW·mm-1;延伸方面的灵敏度为8 μW·mm-1.这是FBG的灵敏度0.65 μW·mm-1的12倍.同时对监测环境的温度具有免疫的效果,在0～90 ℃范围内几乎不受温度改变的影响.这在实际应用上解决了监测时与温度交叉敏感这一难题.不过该传感器采用强度解调,其灵敏度极易受光源功率扰动的影响,且存在灵敏度不高等问题.由于空气腔形成的F-P干涉结构对微位移很敏感,所以目前也有F-P干涉型位移传感.Qi[10]报道的单模空气腔和LPG空气腔构成的传感器的灵敏度分别为0.127 nm/μm和0.216 nm/μm,本文中的灵敏度是它的3倍左右,且精度也有大幅度提高.本文报道了一种双TFBG构成空气腔的内嵌式光纤F-P干涉型位移传感器,利用TFBG的高反射端面构成空气F-P腔,监测光纤沿纵(z轴)向移动时干涉光谱的自由光谱范围随微位移的变化.本传感器具有结构简单、精度高等特点,并通过实验验证了该位移传感结构的特点.

1 传感原理

图1所示为TFBG(布拉格中心波长:1 610 nm,栅区长度:10 mm,倾斜角度:10°.)的结构示意图.TFBG是FBG的一种特殊形式,由于TFBG的光栅条纹与光纤轴向存在一定倾角θ,使得传输光的耦合发生改变,其相位匹配条件可表示为[11]:

λBragg=2neff,core*Λ/cosθ;

(1)

(2)

Λ=ΛTcosθ.

(3)

图1 TFBG结构示意图Figure 1 Schematic configuration of TFBG

当一束入射光由左向右入射达到TFBG时,光纤中主要具有两种模式,一种是满足Bragg匹配条件的向后传输的纤芯模式(和FBG的特性相同),还有一种是满足第i阶包层匹配条件的向后传播的包层模式.影响TFBG包层模式的因素有很多.如光应力、应变、温度、压力、振动、磁场、电流和环境折射率等.所以，当应力、应变、温度、压力、振动、磁场、电流和环境折射率等多种参量发生改变时,通过检测/监测TFBG的反射和透射谱,可以得到被测物理量的改变量,从而达到传感测量的目的.

TFBG的F-P干涉仪光路图如图2,两个TFBG及其两端面形成的空气腔可以被看作是一个非本征的F-P腔(两段TFBG反射率很高,带宽很窄).根据公式推导,谐振波长λ可以表示为

λ=2(ngapLgap+neffLeff1+neffLeff2)/M.

(4)

其中:ngap—空气腔的有效折射率,约为1;Lgap—空气腔的有效长度;neff—光纤纤芯的有效折射率;Leff1,Leff2—两段TFBG的长度,实验中均为5 mm.其透射谱的自由光谱范围(free spectral range, FSR)可表示为

FSR=Δλ=λ2/2n(Lgap+Leff1+Leff2).

(5)

由式(5)可知,因Leff1和Leff2均为定值,实验中均为5 mm.并且,透射谱的FSR与腔长成反比关系,随着端面之间距离增大,FSR减小.

2 实验结果与讨论

温度变化会使干涉光谱发生波长漂移,实验均是在恒温的环境中完成的以避免温度对实验的

图2 干涉仪部分的光路图Figure 2 Diagram of the interferometer

影响.图3为所设计的基于双TFBG的Fabry-Perot干涉型微位移传感器的实验装置图.由图中插图所示,干涉仪部分由两个TFBG夹一个空气间隙构成,并被置于一个内外直径、长度分别为127 μm、300 μm和3 cm的光纤束管中用于准直两个TFBG端面,同时束管能够保护干涉仪部分免受外部损坏和一定的干扰.其中,一段TFBG被胶固定在束管内,束管被固定在微位移平台一端;另一段TFBG能够在束管内沿管壁自由移动,并被固定在微位移平台另一端随平台一起移动.两段TFBG的端面在束管内可形成一个空气腔.

图3 基于双TFBG的Fabry-Perot干涉型纵向位移传感器装置图Figure 3 Longitudinal displacement fiber sensor based on the Fabry-Perot interferometer with double TFBGs

实验时,首先调节微位移平台使两TFBG端面靠近,但不要贴在一起以免损坏光栅端面.记录初始的透射光谱.然后调节微位移平台使右侧TFBG与左侧TFBG端面逐渐分离,并且每移动1 μm进行一次光谱记录.微位移从0 μm增大到115 μm时,干涉光谱如图4.

图4 不同位移下的干涉谱线Figure 4 Transmission spectra against different displacements

从图4中可以看出,干涉图样为TFBG的纤芯光与包层反射光以及端面反射相干形成,随着位移的增加,两TFBG端面形成的空气腔长度随之增大,由式(5)可知,干涉仪的透射谱自由光谱范围逐渐减小,与理论吻合.从图4中还可看出,随着位移的增大,干涉条纹对比度呈现先增大后减小的趋势.

图5为微位移从0 μm增大到1 200 μm时,所测的干涉光谱的自由光谱范围随位移变化的关系.拟合曲线方程为

FSR=[1 529.268/(Lgap+13.318)]+0.24.

(6)

与式(5)非常匹配,只多一个常数项0.24,其可能的原因是:在实验测量过程中,TFBG端面未完全切割平滑,存在缺陷,初始的TFBG端面并不完全紧贴,形成了一个初始的空气腔,致使初始干涉条纹的FSR为一个不为零的常数.

图5 位移从0增大到1 200 μm时FSR随位移变化曲线Figure 5 Changing curves of the FSR with the displacement ranging from 0 to 1 200 μm

为便于实际应用,我们往往需要得到一个线性的变化关系,并且对于高精度的微位移传感器,其量程也不需要达到1 200 μm这么大.对此我们将图5中微位移下降迅速的0～115 μm部分的测试点进行线性拟合,得到如图6所示的FSR随位移变化的关系图.

图6 FSR随位移变化(0～115 μm)关系Figure 6 Relation between the FSR and the displacement ranging from 0 to 115 μm

由图6可知,位移在0～115 μm变化范围内时,该传感器的灵敏度0.475 nm/μm,线性度为R2=0.997.在相对大的量程范围下其灵敏度与目前已提出的传感器相比，有显著提高.表1列举了几种光纤光栅位移传感器的性能值,可见,TFBG型的光纤光栅位移传感器灵敏度很高,更适合微小位移的测量.

表1 几种光纤光栅位移传感器的性能值

Table 1 Characteristics of various displacement fiber sensors applying fiber Bragg grating

类型灵敏度/(nm·μm-1)量程/μm精度(0．01nm光谱仪)/μm弯曲FBG[12]6．234×10-40～600016悬臂梁粘贴FBG[13]3．6×10-40～2200027压缩TFBG[14]1．21×10-40～110082弯曲LPG[15]0．0230～2400．433单模光纤空气腔[10]0．1270～1550．078LPG空气腔[10]0．2160～1400．042本文0．4750～1150．021

3 结 语

构建了一个双TFBG空气腔的光纤Fabry-Perot干涉仪并测量了其微位移传感特性.文中详述其制作方法和传感原理,并实验验证了其与理论分析的一致性.通过监测干涉条纹的自由光谱范围随空气腔长度的变化信息,可以测量光纤纵向的微位移.实验结果表明,轴向位移在0～115 μm范围内变化时,该传感器的灵敏度可以达到0.475 nm/μm,较之前相似的光栅型传感器灵敏度提高了近3倍.

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Micro-displacement measurement based on Fabry-Perot interferometer by using tilted fiber Bragg grating

LIU Weidong1, WANG Youqing2, LU Yanfang2, JIN Shangzhong2, SHEN Changyu2

(1. Measurement Supervision and Testing Institute of Hebei Province, Shijiazhuang 050051, China;2. College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A compact micro-displacement Fabry-Perot (F-P) sensor by the wavelength demodulation method was proposed, which was based on two tilted fiber Bragg gratings (TFBG) with an air cavity.The F-P interference was formed as the incident light transmitted through the dual TFBGs and its high reflective surface. The length of the air-cavity of the proposed F-P interferometer would change by moving one of the TFBGs along the axial direction, which would lead to changes of the wavelength spacing between two interferences spectral (free spectral range, FSR). Experimental results showed that the sensitivity of the sensor within the measurement range of 0 to 115 μm was about 0.475 nm/μm, which was nearly 3 times higher than that of the current paper reported.

optical fiber sensor; TFBG; micro-displacement measurement; Fabry-Perot interferometer

1004-1540(2015)03-0300-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.03.010

2015-04-12 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

刘卫东(1957- )，男，湖北省恩施人，高级工程师，主要研究方向为光电测量技术.E-mail:hbjl_lwd@163.com 通讯联系人：沈常宇，男，教授.E-mail：shenchangyu@cjlu.edu.cn

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