基于光斑旋转位移光纤传感器的多点监控

雍万飞, 朱倩薇, 马军山

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)

引 言

光纤传感器与目前市场上其他传感器比较具有灵敏度较高、频带较宽、抗电磁干扰能力强和不容易被腐蚀等优点。光纤传感器可应用于国民经济与国防事业的很多领域,尤其是能在恶劣的环境中使用,所以,光纤传感器已经成为机载光学传感器的必然发展趋势[1]。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质,感知和传输外界信号的新型传感技术[2]。

从使用的角度来看,国内外光纤位移传感器仅使用线性良好的前坡,可测量区间小,在使用上有很大的局限性[3]。近年来基于光纤扭转的光斑旋转的传感器开始被研究,王华等[4]提出了基于光纤输出光斑旋转的位移传感器,本文在其基础上,对其结构进行了改进,将被压缩的光纤环增加到4个,因增加了光纤环的数量,由此可以实现多点监控。

1 实验原理和系统结构

光波是一种电磁波,光纤中的模是指电磁波在光纤中的存在方式和传播方式。光波在光纤中的传播遵从麦克斯韦方程组,解麦克斯韦方程组所得到的特征函数就是光纤中存在的模,与此相对应的特征值就是传播常数β。

在光纤不受外力影响的情况下,光在光纤中的传输模式由一组衰减的偏振模组成,而当光纤弯曲时,光为在光纤弯曲部分保持同相位的电场和磁场在一个平面里,则越靠近光纤外侧,其传播速度就越大,当传到某一位置时,其相速度就会超过光速,这意味着传导模要变成辐射模。这样,弯曲光纤中所承载的模比直光纤中少,弯曲光纤的曲率半径决定了光纤承载的有效传导模式的数量,且曲率半径越小,损耗越大,其在光纤中传输的模式就越少[5- 6]。正常情况下,单模光纤中只有基模传输,如果将一段光纤绕成一个圈,由于弯曲损耗改变了光在光纤中传输模式数量,调整光纤圈直径大小,就可以获得双光斑低阶模[7]。

根据上述光纤传播模式的变化原理,设计了可以多点监控的光纤位移传感器。为了验证所设计的传感器,搭建了如图1所示的实验装置,整个装置由光源(632.8 nm的氦氖激光器)、5个级联光纤环(1个调节光纤环和4个可形变的传感光纤环,均是直径为20 cm的双圈圆环)、可移动挡板、CCD接收器和电脑等组成。当激光器发出的激光经过聚焦透镜耦合到单模光纤里,为了在光纤出射端获得双光斑,调整调节光纤环半径,将其直径从20 cm慢慢变为10 mm时,由于辐射损耗的改变,岀射光斑数量逐渐变为双光斑。使可移动挡板产生位移,依次压缩4个传感光纤环,此时4个光纤环在一定范围内发生形变,在一定压缩范围内岀射的光斑始终是双光斑,但双光斑产生了旋转。用CCD接受光纤传出的双光斑旋转图像,再把图像送计算机进行处理。

图1 实验原理图Fig.1 Experimental schematic diagram

2 实验过程及结果讨论

图2为CCD接受到的双光斑绕中心点旋转的图像。

由图2可见,随着可移动挡板的位移逐渐增大,传感光纤环产生形变也加大,出射双光斑整体按顺时针的方向旋转也越多。这是由于单模光纤具有较强的双折射效应,当光纤环受压变形时,导致光纤环双折射的变化,进而使传输模能量分布变化,表现为光斑的旋转。当光纤受到周期性的挤压弯曲时,双光斑会受几何效应与弹光效应的共同影响。几何效应使得光斑随着光纤扭转而旋转[8],弹光效应则会影响介质的折射率,发生双折射现象,进而使传输模能量空间分布变化,表现为光斑的旋转[4]。同时在这一过程中,两个光斑各自的光强有所衰减或增强,这是因为在光纤受压的过程中,传输模能量强度分布发生了变化。

图3是用MATLAB软件将图2图像经二值化处理后得到的图像。

图2 光斑旋转图Fig.2 Images of spot rotation

图3 光斑二值化Fig.3 Spot binarization

利用Regionprops区域函数来获得两个白色区域,用Centroid求得两中心点的坐标,获得两点坐标后,用antn函数求出弧度,最后再将弧度转化为角度,即可得出光斑的旋转角度值[9]。

图4是用MATLAB软件处理得到的光斑旋转角度和压缩位移的关系曲线,并得到4个传感光纤环的灵敏度分别为7.661 3、10.778 4、11.853 5、12.882 3 (°)/mm。

结合图4可以得出他们的灵敏度依次增大,传感光纤环1灵敏度最小,传感光纤环4的灵敏度最大。在一定范围内分别压缩传感光纤环1、2、3和4,光斑旋转角度和压缩位移均呈良好的线性关系。由于传感光纤1、2、3、4均有压缩位移和光斑旋转角度呈良好的线性关系,故可以利用这一原理用于环境人员流动的监控。

图4 光斑角度与位移之间的关系Fig.4 The relationship between spot angle and displacement

3 结 论

提出了一种基于光斑旋转的光纤传感器的监控技术,并介绍了传感器的工作原理。观察并定性解释了实验现象,得到了光斑旋转角度与位移之间的关系。研究结果表明,该监控系统结构简单,灵敏度高且线性度好。此外,该光纤传感器还可拓展为门禁报警器等,具有广阔的应用前景。

[1] 胡建良.光纤微位移传感器研究[D].合肥:合肥工业大学,2008.

[2] 刘跃辉,张旭苹,董玉明.光纤压力传感器[J].光电子技术,2005,25(2):124-132.

[3] 丁小平,王薇,付连春.光纤传感器的分类及其应用原理[J].光谱学与光谱分析,2006,26(6):1176-1178.

[4] 王华,吴骏,查媛,等.基于光纤输出光斑旋转的位移传感器[J].光学技术,2015,41(1):89-92.

[5] HARAN F M,BARTON J S,JONES J D C.Bend loss in buffered over- moded optical fibre:LP11mode and ‘whispering gallery’ mode interaction[J].Electronics Letters,1994,30(17):1433-1434.

[6] 马宾,隋青美.基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统设计[J].传感技术学报,2010,23(8):1195-1200.

[7] 李晓沛,邹亚琪,马军山.光纤宏弯损耗与温度传感的理论分析[J].光学仪器,2012,34(2):44-49.

[8] 范宇强,袁余峰,魏婉婷,等.基于LP21模式的光纤弯曲传感器[J].光学学报,2012,32(11):1128005.

[9] 何希平,张琼华.基于MATLAB的图像处理与分析[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2003,20(2):22-26.