關鍵詞:光纖；壓力；測量

    吳志偉
男，碩士，泉州師范學院物理系，研究方向為光電檢測。

1 引言

    光纖傳感技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術的發展而迅速發展的一項技術；其基本原理是利用光在光纖中傳導，當受到被測量影響時光的強度、波長、相位等參數會發生變化。與傳統的感測技術相比，其具有體積小、良好的電絕緣性、不受電磁干擾、易于遙測、可用于一些條件惡劣的測量環境等[1,2]。把光纖傳感技術用于壓力的測量，則構成光纖壓力測量系統。常見的光纖壓力測量系統主要有基于微彎效應、光彈效應、F－P干涉腔、光纖Bragg光柵、OTBR和BOTBR等類型[3]。當前國內外利用新的原理、新的材料設計光纖壓力測量系統的活動十分活躍，不斷有更高精度、體積更小的測量系統被報道。本文提出了一種新型的基于光彈效應的光纖壓力測量裝置，與傳統的基于光彈效應測量系統相比其結構更緊湊、精度更高。實驗結果驗證了這種方法的可行性。

2 基本原理

    2.1 傳統的基于光彈效應測量系統

    傳統的基于光彈效應的光纖壓力測量系統其結構如圖1 [4]所示，當光在受到壓力的光彈材料中傳輸時，光的偏振特性會發生改變，通過對輸出光束的檢測就可以得到壓力的大小。由以上分析可以看出，此類測量系統屬于非功能型，即光纖在測量系統中僅起到光的傳輸作用。其傳感元件是光彈材料，目前最常用的光彈材料是Araldite CT200熱固性環氧樹脂。

    2.2 新型的基于光彈效應測量系統

    本文所提出基于光彈效應光纖壓力測量裝置屬于功能型器件，其創新點在于：用光纖代替原來獨立的光彈材料作為傳感元件，即光纖在測量系統中不僅僅是光的傳輸通道，也是傳感元件。石英玻璃是一種優越的光彈材料，其彈性模量和質量系數均很高、在一個相當大的范圍內應力－應變成線性關系的、沒有諸如蠕變和時間－邊緣效應缺陷等；而且石英玻璃是一種化學穩定的物質，不受濕度變化的影響，對環境溫度正常變化的反應相比于其他的光彈材料而言也較小。隨著光纖技術的不斷發展，使得將以石英玻璃為主要材料的光纖作為光彈元件來使用成為可能。

    在實際使用中采用的是單模光纖，單模光纖在外界壓力作用下會產生誘導雙折射－光彈效應。光纖的這種雙折射將使其中傳輸光波的偏振態發生相應的變化，也即是光波的相位發生變化。對輸出光束的相位進行檢測，就可以得到外界壓力的大小。根據偏振光學的理論，若光纖的長度為，則相應的相位差可以表示為：
                                      （1）
    其中為光束波長；B為歸一化的雙折射率，不同的受力方式和大小將產生不同的B值，下文將對其進行具體的分析。能夠使光纖發生誘導雙折射的受力方式通常有三種：彎曲、側壓、扭轉。
彎曲作用下光纖的歸一化雙折射率可以用式（2）來近似表示：
                              （2）
    式中為光纖的半徑，R為光纖彎曲的曲率半徑。二者的比值由加載在光纖表面的張力大小決定。

    側壓作用下光纖的歸一化雙折射率可以用式（3）來近似表示：
　　                          （3）

    式中為光纖半徑，F為光纖受到壓力。

    扭轉作用下光纖的歸一化雙折射率可以用式（4）來近似表示：

                                            （4）

    式中N為每米光纖扭轉的圈數，為光束波長。N反映的是光纖受剪切力的大小。[5,6,7,8]

3 實驗裝置

    本文所提出光纖壓力測量裝置的結構如圖2所示。此測量裝置由7個部分組成：光源、起偏器、/4波片、光纖、檢偏器、光電元件、數據處理。光源發出的光束經過起偏器，獲得線偏振光，再經過/4波片后線偏振光變成圓偏振光 （圓偏振光能夠對單模光纖中各個模態進行均勻激勵）；調制后的光束通過外力作用下的單模光纖，由于光彈效應的作用，輸出光束的相位發生改變；用檢偏器對輸出光束進行調制，并將其分為偏振態正交的兩束光 ；兩束光分別通過光電元件將光強轉化為電壓量，利用后續電路對兩個電壓量進行數學處理，使處理后的電壓量與光束相位改變量的正弦值成線性關系，即
                                       （5）

    再利用式（1）就可以反求出外界壓力的大小。實驗裝置中采用雙光路檢測的方法，能夠有效地減少檢偏之前引入的誤差，達到提高檢測精度的目的。

4 實驗結論

    圖3所示的實驗數據可以看出在一定的壓力范圍內，經過數據處理后的電壓量與外界壓力之間近似成正弦關系，即
　　                                （6）

    式中K，K1為常數。

    聯立式（1）和式（3）可以得出：

　　                                    （7）
　　

    式中 為常數。聯立式（5）和式（7）可以推出：
　　 　　　                         （8）

    對比式（6）和式（8）可以得出：在一定的壓力范圍內，理論推導的結論與實驗數據能夠較好地吻合。實驗證實了這種新的基于光彈效應光纖壓力測量裝置是可行的。

5 總結

    理論推導和初步的實驗數據為這種新型壓力測量裝置的進一步研制、開發提供了依據。這種光纖壓力測量裝置最大的優點是：光纖作為光束傳輸的通道，同時又作為傳感的元件。裝置的結構更加簡單，并且能夠方便地實施遠距離的遙測。這就使得這種測量裝置能夠更好地被應用于一些惡劣的環境中；同時由于作為傳感元件的光纖本身抗干擾能力強，所以測量的精度也能得到很好的保證。隨著技術的不斷成熟，這種新型的基于光彈效應光纖壓力測量裝置一定能夠廣泛應用于工業、科研、軍事等各個方面。

參考文獻：

    [1] 趙中華，高應俊，駱宇鋒．光纖壓力傳感器[J]．傳感器技術，2005，24（12）：49-54．

    [2] 張鑫，郭清南，李學磊．壓力傳感器研究現狀及其發展趨勢[J]．電機電器技術，2004，4：28-30．

    [3] 劉躍輝，張旭萍，董玉明．光纖壓力傳感器[J]．光電子技術，2005，25（2）：124-132．

    [4] 孫圣和，王延云，徐續．光纖測量與傳感技術[M]．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2000．103-104，139-143．

    [5] 萬瑾，黃元慶．應力誘導單模光纖雙折射的研究[J]．儀器儀表學報，2002，23（5）：111-113．

    [6] 阮迎瀾，向清，黃修德．單模光纖應力誘導雙折射及其測試研究[J]．中國激光，1966，23（10）：901-905．

    [7] 王延云，盧啟柱．單模光纖彎曲雙折射的研究[J]．光電子技術，1997，17（1）：50-53．

    [8] 廖延彪. 偏振光學[M]. 北京: 科學出版社, 2003．100-200.