基于非本征琺布里-泊羅干涉儀的多路復用應變測量傳感技術

劉 琨

（沈陽職業技術學院，沈陽 110045）

基于非本征琺布里-泊羅干涉儀的多路復用應變測量傳感技術

劉 琨

（沈陽職業技術學院，沈陽 110045）

0 引言

那些能感應自身所處環境并作出反饋的材料變得越來越重要[1]。低成本傳感器、執行器和控制系統的綜合產物天生就能出色地監控原料的處理情況,主動地控制原料的形狀和運動并且可以指出損害和次品的肇端。要具備以上特點并能對環境改變做出反應,系統必須基于大型的、巧妙結合功能的結構之上。由于其小巧的體積和已被證明的嵌入能力,光纖傳感器極具吸引力的選擇。特別是EFPI已被廣泛應用于局部壓力等多種測量中。因它具有高靈敏度和抗電磁干擾能力,還能在多種環境中運行[2]。然而,EFPI還存在一個問題是它提供的是微分測量而不是絕對測量。另一個問題是總體上缺少實時讀取設備。本文討論EFPI的工作原理,分析它的局限,敢提出克服絕對測量中缺陷的方法。

1 非本征琺布里-泊羅干涉傳感器

EFPI傳感器是用于智能材料和智能結構健康監測的光纖傳感器之一。EFPI是一種干涉型傳感器,它的探測強度可以依據測量參數調整。

EFPI傳感系統包含一個單模激光二極管,這個二極管通過一個耦合器照在琺布里-泊羅腔上。這個腔是在一個輸入單模光纖和一個反射單模或多模光纖之間形成的。這個輸入光纖和反射光纖是用一根中空的硅光纖連接在一起的。腔兩端的沒有涂層的端面會各自產生4%的菲涅爾反射。第一次反射R1,稱為參考反射,是獨立于實際干擾的。第二次反射,R2,稱為感應反射,是和腔長d有關的,而d又是根據實際干擾調整的。這兩束反射波相干,倘若光程差小于光源的相干長度,那么探測到的光強I就會按照腔長函數變化。

I0取輸出強度最大值處,相應λ就是激光二極管的中心波長。

EFPI有能力測量次埃尺度的位移并且被報道為最適于嵌入結構的光纖光學傳感器[3],它的局限性阻止了它與用于精確感應的材料和結構的完全結合。此外,若實際壓力的方向有改變或在正弦變換函數曲線的最值點發生任何干擾,系統都不可能探測到它。加之需要使用復雜昂貴的外沿計算技術來加速處理獲得的數據。白光干涉測量是一種光學反相關技術,它能夠精確測定干涉儀兩臂的光程差從而允許EFPI的完全解調。

2 白光干涉測量法光路匹配(WLIPM)

WLIPM是基于這樣一個原理,如果一個干涉儀的光程差比光源的相干長度大,那么干涉儀中兩束光波的傳播將不能產生時間相干的干涉條紋。然而如果結構中存在的第二臺干涉儀會導致它的光程差同第一臺干涉儀的光程差相匹配,這兩束光波之間總光程差會小于光源相干長度,而這樣兩束光波將會相干。當兩束光波光程差為零時,他們的相干度達到最大就能看到它們的時間相干圖案[4]。圖1就是這個概念。

WLIPM傳感系統有三種基本構成原理:1)基于反射,2)基于透射,3)基于麥克爾遜干涉。這三種方法中,反射和透射在應用中是最有利的,因為輸入導線非敏感性限制了對傳感間隙的測量。因在透射構造中存在大量直流成分,基于反射原理的系統就成了首選結構。任何WLIPM設備的物鏡都要用一個琺布里-泊羅掃描干涉儀來匹配位于遠處的EFPI傳感器的腔長。當此情況發生時,一對匹配的EFPI傳感器或掃描儀就會產生干涉圖案。

圖1 白光干涉光程匹配系統

圖2 白光干涉光程匹配結構

圖2中給出的解調方法可以解調這個信號。一種掃描方法是用一個變化間隙的EFPI去匹配傳感EFPI。這個方法在速度上有局限。圖2(b)中給出了另一種改進響應頻率的方法。這里用一個線性排列CCD來捕捉遠處EFPI傳感器返回的光譜。圖2(b)中的展示的是一臺菲索楔形干涉儀。它的腔長按楔形函數變化可以作為光學反相關器。通過一個腔長為D琺布里-泊羅傳感器傳播的光強在菲索干涉儀的平鏡之間距離達到D位置達到傳輸最大。CCD排列上的每一個像素都對應琺布里-泊羅腔長的一個特殊長度,而像素讀取到的最大光強點給出了EFPI傳感器的間隔D。在一些情況下光纖光學傳感器的輸出經過處理可以得到應變,溫度或壓力等信息。對于應變計的輸出可以用下列關系式計算:

其中,ΔLfizeau是CCD排列上測量到的菲索腔的有效寬度,α是菲索干涉儀的兩片平面鏡之間的角度,Lgage是EFPI傳感器的度量長度。其他的測量法也類似的用上式計算。

3 多分復用光纖傳感器

WLIPM技術的一個優點是能夠在一個傳感系統中對多個傳感器進行多分復用,從而降低測量系統的整體價格。目前商業用途中只有光學時域反射計(OTDR)具有相似的運行多分復用傳感器的能力。然而由于它對光源及其敏感要求非常窄的脈沖光源,OTDR系統的苛刻限制不能滿足用于原料探測。光路匹配干涉技術能解決這種對大型分布式多元傳感系統的需求。

試驗證明一個由不同間隙長度的EFPI組成的基于反射原理的白光光路匹配系統可以用一臺掃描設備同時連續提取數據。這個構造能即時描繪出一個結構或材料上應變和溫度分布情況。此系統有很多優勢使得這個方法很有吸引力。它可以得到絕對測量結果并且不依賴于初始條件。其次,單光源或單測量系統的應用極大的降低了運行成本。為了此系統的最大性能,EFPI反射信號的強度應達到最大值。增進性能可以通過在EFPI光纖端面覆蓋一層金屬或多層絕緣層來完成。

A1:輸入光纖反射波振幅可以用分解面反射系數來表示。第二次反射振幅可以用第一次反射的振幅來表示,關系式如下

式中t是傳播系數,a是纖芯直徑,s是間隙寬度,NA是光纖的數值孔徑。入射到下一個傳感器的光大約是1-A2。傳感器的輸出強度要用反射光振幅表示。

式中q 是兩束反射波的相位差。考慮到連續傳感器的光強最大值

式中A3和A4第二臺EFPI的反射波波長。解這個表達式,得到t從而得到服從相同強度EFPI運行所需的反射圖層。

初步試驗中,具有不同初始間隙的EFPI傳感器接收到一束光波。所有用于制造這些傳感器的光纖端面都覆蓋了一薄層金,這樣大約能增加大約40%的分界面反射。一個低精度EFPI腔被用于為傳感器掃描不同腔長的范圍。傳感器的輸出信號會在下面的圖4中展示出來。如圖所示每個傳感器信號的條紋可見度都依傳感器在系列鏈中的位置不同而不同。

4 結論

我們討論了應用全光路匹配技術的EFPI傳感器運行原理。此技術的基礎是將EFPI感應間隙與參考光程差相匹配。當這些距離差在光源的相干長度以內,就產生一個相關包絡解調傳感器的相干測量輸出。數據證明四臺EFPI傳感器的多路技術是可行的。EFPI的多分復用應用包括大型智能結構系統中的應變和溫度測量。這些光纖光學結構會像“神經系統”一樣主動控制設備。

[1]R. Claus, Smart materials and structures, Fiber Optic Product News, 1991, 11.

[2]Proc. Fifth Annual Optical Fiber Sensor-Based Smart Material and Structure Workshop, 1992, 8.

[3]Proc. First European Conference on Smart Materials and Structures, 1992, 5.

[4]Mark Johnson, White light interferometry, SPIE,1990.

Extrinsic Fabry-Perot interferometer based multiplexed strain sensing technology

LIU Kun

非本征琺布里－泊羅干涉傳感器(EFPI)已經被證明適用于壓力和溫度的精確測量。我們介紹一種基于白光干涉儀的路徑匹配完全測量方法。該系統從參考間隔到EFPI的感應間隔都適用。當這兩個波長差在光源的相干長度內時，在系統輸出中會產生一個強度包絡。相應的路徑失諧明確的指出傳感器間隙的大小，壓力便可以確定。這種應用大量EFPI傳感器的多路技術的測量方法是可行的，并且給出四個多分復用設備的實驗數據。文中也給出系統優化的理論設想。

非本征琺布里-泊羅干涉儀；完全測量；白光干涉測量；光路匹配；多路復用技術

劉琨(1973－ ),女,沈陽人,副教授,研究方向為電機與電器。

TP391

A

1009-0134(2011)1(上)-0190-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).60

2010-11-15