光纤压力传感器的性能研究_刘昕

第３５卷　第２期２０

１５年２月

物　理　实　验

　ＰＨＹＳＩＣＳ　

ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩＯＮ

Ｖｏｌ

．３５　Ｎｏ．２ Ｆ

ｅｂ．，櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶

２０１５　“

第８届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文　收稿日期：２０１４－０６－０３　基金项目：国家自然科学基金资助项目（

Ｎｏ．６１３７１０５５）　作者简介：

刘　昕（１９９３－），女，天津人，首都师范大学物理系２０１１级本科生．　导师简介：

刘　维（１９６５－），女，北京人，首都师范大学物理系副教授，博士，主要从事应用光学方面的研究

．光纤压力传感器的性能研究

刘　昕，乔飞帆，曹丽丹，刘　维

（首都师范大学物理系，北京１００

０４８） 摘　要：

利用自制的全光纤马赫－曾德尔干涉仪，对压力引起的光功率的变化进行了测量和分析，给出了该系统相干检测最佳工作范围是５～１３Ｎ，灵敏度为－０．１３０　０μＷ／Ｎ．在不同温度变化范围内，随着压力的增加，光功率分别以０．２２３　４μＷ／Ｎ到０．４８２　

３μＷ／Ｎ的变化率减小．关键词：全光纤马赫－曾德尔干涉仪；压力传感器；温度；灵敏度；多信号检测

中图分类号：Ｏ４３６．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－４６４２（２０１５）０２－００３４－

０４１　引　言

与传统的压力传感器相比，光纤压力传感器具有体积小、重量轻、不受电磁干扰和可用于易燃易爆的环境中等特点，以它为基础构成的分布式

压力传感系统，可以实现信号的实时监控［１－

３］．由

于具有抑制光源噪声和模式噪声的优势，光纤马赫－曾德尔（Ｍ－Ｚ）干涉仪在高精度测量中应用越来越广泛，它可以对温度、压力、磁场、电流和超声

波等多种物理量进行测量［４－

５］．

本文利用自制的全光纤马赫－曾德尔干涉传感系统，对压力信号引起的光功率变化进行了测试，在确定该系统压力工作范围的基础上，得到了不同温度下，光功率随压力变化的情况；该项工作对于光纤传感器的多信号检测应用有参考价值．

２　理论分析

一般来说，压力等外界物理量都能直接影响３个光纤参量从而影响其中光波的相位．具体可

以分为以下３个方面［

６］

：１

）纵向应变（光纤被拉长）引起的相位变化为Δφ１＝１２

ｎｋ０Ｌ（２－ｎ２　

Ｐ１２）ε３．（１

）２

）横向应变（光纤被挤压）引起的相位变化为Δφ２＝ｎｋ０Ｌａｎｋ０Δｋ（）

ｄ

ａ－１２ｎ２（

Ｐ１１＋Ｐ１２［］

）ε１．（２

）３）光弹效应（横纵综合影响）引起的相位变化为

Δφ３＝ｎｋ０Ｌε３－１２ｎ２（Ｐ１２＋Ｐ１１）ε１－１２

ｎ２

　Ｐ１２ε［］

３．（３

）在以上３式中ｎ为光纤折射率，ａ为光纤半径，ｋ０＝

２πλ

为光纤中的传播常量，Ｐ为应变光学常量，其下标为对应的受力方向，这些量都与光纤的种类有关．Ｌ为光纤长度，ε１和ε３分别为横向和纵向应变．

３　测试系统

光纤马赫－曾德尔光纤干涉仪系统框图［６－

７］如

图１所示．从激光器发出的光，经３ｄＢ耦合器之后，其中一束光在参考臂中传播，另外一束在传感臂中传输，压力信号加在传感臂，经过第２个３ｄＢ耦合器的光将信号送到光功率计，

根据双光束干涉原理，２路光的光强分别为［８

］

图１　光纤马赫－曾德尔干涉仪压力传感系统框图

Ｉ１＝Ｉ０

２

α（１－ｃｏｓΔφ），（４）Ｉ２＝Ｉ０

２α（１＋ｃｏｓΔφ）．（５

）由于Ｉ∝Ｐ，故将（４）～（

５）式转化为Ｐｍ１＝Ｃｐｍ０

２

α（１＋ｃｏｓΔφ），（６）Ｐｍ２＝Ｃｐｍ０

２

α（１－ｃｏｓΔφ）．（７）式（６）和（７）中，Ｐｍ为输出光功率幅值，Ｐｍ０为输入的光功率幅值，α为光强衰减因子，Ｃ为系统参量，Δφ表示待测量变化引起的参考臂与传感臂间的相位差．考虑（３）式中的相位差，３ｄＢ耦合器合波后的光强度为

Ｉ１＝Ｉ０

２

α１－ｃｏｓ　ｎｋ０

Ｌε３－１２ｎ２（Ｐ１２＋Ｐ１１）ε１［｛－１２

ｎ２

　Ｐ１２ε］｝

３，

（８

）Ｉ２＝Ｉ０

２

α１＋ｃｏｓ　ｎｋ０

Ｌε３－１２ｎ２（Ｐ１２＋Ｐ１１）ε１［

｛

－１２

ｎ２

　Ｐ１２ε］｝

３．（９

）光功率为

Ｐｍ１＝Ｐｍ０２

α１－ｃｏｓ　ｎｋ０

Ｌε３－１２ｎ２（

Ｐ１２［

｛

＋Ｐ１１

）ε１

－１

２ｎ２　

Ｐ１２ε］｝３

，

（１０）Ｐｍ２

＝Ｐｍ０

２α１－ｃｏｓ　

ｎｋ０

Ｌε３

－１

２ｎ２

（Ｐ１２

［｛

＋Ｐ１１

）ε１

－１

２ｎ２　

Ｐ１２ε］｝

３

．

（１１

）当相位差较小时，有输入的压力信号与输出的光功率之间呈线性关系．

系统实物图如图２所示．光从光源发出，经过Ｙ型光耦合器后分为２路．传感臂通过压力装置施加不同压力信号，参考臂不施加任何信号，２路光纤通过Ｘ型光耦合器合为１路，并通过光功率计检测其光功率变化．压力装置由１个压力传感器与１个施力装置构成，传感光纤放置在设置好的压力传感器与施力装置之间，当不断向下旋转施力装置时，光纤所承受的压力将通过压力传感器反应在数显仪表上

．

图２　光纤马赫－曾德尔干涉仪压力传感系统实物图

４　测试结果与分析

系统性能测量结果见图３．当压力信号小于５Ｎ时，拟合得到线性关系为ｙ＝－０．０４５　

１ｘ＋２．９３１　２，其检测灵敏度为－０．０４５　１μＷ／Ｎ；当压力信号在５～１３Ｎ范围内时，线性关系为ｙ＝－０．１３０　０ｘ＋３．３７２　２，灵敏度为－０．１３０　

０μＷ／Ｎ；而当压力大于１３Ｎ时，输出信号受噪声影响较大，线性关系为ｙ＝－０．０１０　７ｘ＋１．８４０　７，灵敏度仅为－０．０１０　

７μＷ／Ｎ．由此可以看出当压力大于５Ｎ小于１３Ｎ时，

该系统压力检测具有较好的效果．一定温度条件下改变压力时，随着压力的增大，光功率减小，如图４所示．当温度分别为２５，３３，４

０，５１，６１，６５℃时，其灵敏度分别为－０．２２３　４，－０．４１８　８，－０．２９４　３，－０．４８２　３，－０．４０２　３，－０．３７６　

８μＷ／Ｎ，相关系数均大于０．９５，具体线性关系式如图４所示．图５给出了灵敏度随温度变化的曲线，可以看出，系统的温度分辨率不高，需要更有效的相位控制器和更好的温度调控系统．

５

３第２期 刘　昕，

等：光纤压力传感器的性能研究