基于PMF-Sagnac环结构的光纤压力传感特性研究*

侯美江, 田 晶, 左一武

(贵州大学 物理学院，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

光纤传感因具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点而逐渐取代传统电类传感器并应用到现代工业监测中[1,2]，其种类繁多、应用广泛、结构多样。近年来，压力的实时测量在桥梁监测[3]、人体血压监测以及油井压力监测等工程应用中[4,5]，显得极为重要，受到越来越多学者的关注。随着时代的发展，用光纤作为传感单元的压力传感研究也越来越多，如文献[6]介绍了一种用于油井的光纤法布里珀罗(Fabry-Pérot)腔高压传感器，其传感压力可高达82 MPa，灵敏度为241 nm/MPa，可重复性为0.05 %，分辨率为0.000 4 MPa，温度范围可从室温到175 ℃；文献[7]介绍了一种用于井下压力和分布温度测量的混合光纤传感系统；文献[8]构造了一个光纤压力传感器用于检测静脉曲张压力，该光纤压力传感器可有效预测静脉曲张破裂出血的风险；文献[9]根据光纤布拉格(Bragg)光栅的原理，设计了一种新型的用于测量变压器绕组轴向力的光纤压力传感器，且该传感器能满足变压器绕组轴向力实时监测的要求；文献[10]设计了一种基于特殊设计的中空偏心双芯光纤的光纤内集成高灵敏度气压传感器，该传感器通过特殊设计的光纤实现了光纤内气压检测，该光纤尺寸紧凑，在实际应用中可以轻松连接和集成。以上光纤传感相关解调技术也越来越成熟，其中以相位解调[11,12]、频率解调[13,14]以及波长解调[15,16]几种解调方法最为典型。

本文主要利用了基于Sagnac干涉型相位解调技术将光纤传感器中携带在传感信号里的相位信息有效恢复，此解调方法灵敏度较高，可探测外界环境的微小变化。该系统传感头采用了熊猫保偏光纤同时作为滤波器和传感头，主要利用其双折射对外界环境敏感特性且可进行窄带滤波的特性，结合Sagnac环结构搭建了干涉型压力传感系统。实验所搭建的传感系统结构简单，成本低，易操作，为压力传感的工程化应用提供了参考。

1 传感原理与系统结构

图1为光纤压力传感原理图，宽带光源(broadband light source，BBS)、光谱仪(optical spectrum analyzer，OSA)以及分光比为50∶50的2×2耦合器与熊猫型保偏光纤(panda type polarization-maintaining fiber，PMF)构成。在Sagnac环结构中插入两个偏振控制器(polarization controller,PC)PC1,PC2用于调节光的偏振态。

图1 光纤压力传感原理

本实验系统中，光源由宽带光源提供，宽带光经光纤传输进入耦合器与保偏光纤形成的Sagnac环中，在环路中产生干涉，干涉光光谱可在光谱仪上进行观察，保偏光纤同时作为滤波器和传感头。在传感系统中光纤Sagnac回路作为传感头包括PMF和3dB耦合器，经PMF滤波后输入光波被该耦合器分成两个子光束，子光束通过PMF并在3dB耦合器处相遇，相位差由于PMF的双折射即可得到。

δ0为干涉光的加压前的相位，可表示为

(1)

光纤忽略Sagnac环的损耗，光经过环干涉后的透射谱是一个周期函数，施加压力前，周期函数可表示为

(2)

式中B为光纤的双折射率，L为环的周长，λ为入射光的波长。当对环中保偏光纤部分施加横向压力，由于压力导致环路内PMF的双折射产生了变化从而导致了相位的变化，设保偏光纤有效受压长度为L1，则其相位变化量可表示为

(3)

为方便测试，在该实验中传感头由保偏光纤卷成小圆环，对该传感头进行施加压力，压强就加载在传感系统中。式(3)中，ΔB为随压强变化的双折射率，则ΔB随压强变化可表示为

(4)

将式(4)代入式(3)，有

(5)

(6)

用X表示透射谱相邻两波谷之间的波长间隔大小(自由光谱范围)，有

(7)

式中B0为保偏光纤的初始双折射度，由上式可看出X与L1成反比关系，L1越长，X越小。

波长变化量Δλ随压力变化量的ΔF关系经以上关系推导可表示为

(8)

2 实验结果与分析

为研究不同长度传感头的压力传感特性，实验选用长度分别为1m和2m的保偏光纤为该压力传感系统的传感头，其对应透射光谱如图2所示，其中，X表示相邻波谷间隔。从图2可看出长度为1m的传感光纤其透射峰相邻两波谷间距比传感光纤为2m的相邻两波谷间距大2倍。表明传感光纤越长，相邻波谷间距越小，这与式(7)理论相符。

图2 传感系统的透射光谱

图3 传感器透射谱的3 dB带宽

为比较该传感系统中不同长度的传感光纤对透射光谱3 dB带宽的影响，实验对传感头长度为1 m与2 m透射谱波谷的3 dB带宽进行了观测如图3所示。可以看出传感光纤变长，透射谱的3 dB带宽不变，也就是说在本实验方案中，传感器的3 dB带宽不随传感头长度的变化而改变。

实验过程中，以步长为0.5 N，从0 N到5 N，分别对长度为1 m和2 m传感头施加压力，波长随压力变化漂移如图4所示，从图4中可看出，随着压力增大，波长红移，且在相同压力下，1 m传感器的波长漂移量大于2 m传感器。

图4 波长随压力变化漂移

线性拟合如图5所示，由图5(a)可知，每增加1 N的力，传感头为1 m的传感器波长漂移0.258 nm，线性相关的度约为0.998，其压力灵敏度为0.258 nm/N。由图5(b)可知，每增加1 N的力，传感头为2 m的传感器波长漂移0.133 nm，线性相关的度为0.995，压力灵敏度为0.133 nm/N。经分析，传感头长度为1 m的传感器灵敏度高于2 m的传感器的原因在于1 m其有效受压面积不同。在相同的压力下，有效受压面积大的传感器受到的压强较小，导致其双折射变化小，故波长漂移小，灵敏度低，这与式(8)的理论相符合。

图5 压力传感实验结果分析

3 结 论

本文主要对基于PMF-Sagnac结构的光纤压力测量传感系统进行了研究分析，利用熊猫保偏光纤对外界环境的双折射敏感且可进行窄带滤波特性，搭建了压力传感系统，并对该传感系统进行了解调实验。实验同时对基于不同长度传感头的压力传感系统进行了分析。结果表明：不同长度传感头3 dB带宽相同；传感头的长度越短，自由光谱范围越大，灵敏度越高；反之，传感头的长度越长，自由光谱范围越小，灵敏度降低。传感系统结构简单，成本较低，且易操作。