关键词:光纤；压力；测量

    吴志伟
男，硕士，泉州师范学院物理系，研究方向为光电检测。

1 引言

    光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术的发展而迅速发展的一项技术；其基本原理是利用光在光纤中传导，当受到被测量影响时光的强度、波长、相位等参数会发生变化。与传统的感测技术相比，其具有体积小、良好的电绝缘性、不受电磁干扰、易于遥测、可用于一些条件恶劣的测量环境等[1,2]。把光纤传感技术用于压力的测量，则构成光纤压力测量系统。常见的光纤压力测量系统主要有基于微弯效应、光弹效应、F－P干涉腔、光纤Bragg光栅、OTBR和BOTBR等类型[3]。当前国内外利用新的原理、新的材料设计光纤压力测量系统的活动十分活跃，不断有更高精度、体积更小的测量系统被报道。本文提出了一种新型的基于光弹效应的光纤压力测量装置，与传统的基于光弹效应测量系统相比其结构更紧凑、精度更高。实验结果验证了这种方法的可行性。

2 基本原理

    2.1 传统的基于光弹效应测量系统

    传统的基于光弹效应的光纤压力测量系统其结构如图1 [4]所示，当光在受到压力的光弹材料中传输时，光的偏振特性会发生改变，通过对输出光束的检测就可以得到压力的大小。由以上分析可以看出，此类测量系统属于非功能型，即光纤在测量系统中仅起到光的传输作用。其传感元件是光弹材料，目前最常用的光弹材料是Araldite CT200热固性环氧树脂。

    2.2 新型的基于光弹效应测量系统

    本文所提出基于光弹效应光纤压力测量装置属于功能型器件，其创新点在于：用光纤代替原来独立的光弹材料作为传感元件，即光纤在测量系统中不仅仅是光的传输通道，也是传感元件。石英玻璃是一种优越的光弹材料，其弹性模量和质量系数均很高、在一个相当大的范围内应力－应变成线性关系的、没有诸如蠕变和时间－边缘效应缺陷等；而且石英玻璃是一种化学稳定的物质，不受湿度变化的影响，对环境温度正常变化的反应相比于其他的光弹材料而言也较小。随着光纤技术的不断发展，使得将以石英玻璃为主要材料的光纤作为光弹元件来使用成为可能。

    在实际使用中采用的是单模光纤，单模光纤在外界压力作用下会产生诱导双折射－光弹效应。光纤的这种双折射将使其中传输光波的偏振态发生相应的变化，也即是光波的相位发生变化。对输出光束的相位进行检测，就可以得到外界压力的大小。根据偏振光学的理论，若光纤的长度为，则相应的相位差可以表示为：
                                      （1）
    其中为光束波长；B为归一化的双折射率，不同的受力方式和大小将产生不同的B值，下文将对其进行具体的分析。能够使光纤发生诱导双折射的受力方式通常有三种：弯曲、侧压、扭转。
弯曲作用下光纤的归一化双折射率可以用式（2）来近似表示：
                              （2）
    式中为光纤的半径，R为光纤弯曲的曲率半径。二者的比值由加载在光纤表面的张力大小决定。

    侧压作用下光纤的归一化双折射率可以用式（3）来近似表示：
　　                          （3）

    式中为光纤半径，F为光纤受到压力。

    扭转作用下光纤的归一化双折射率可以用式（4）来近似表示：

                                            （4）

    式中N为每米光纤扭转的圈数，为光束波长。N反映的是光纤受剪切力的大小。[5,6,7,8]

3 实验装置

    本文所提出光纤压力测量装置的结构如图2所示。此测量装置由7个部分组成：光源、起偏器、/4波片、光纤、检偏器、光电元件、数据处理。光源发出的光束经过起偏器，获得线偏振光，再经过/4波片后线偏振光变成圆偏振光 （圆偏振光能够对单模光纤中各个模态进行均匀激励）；调制后的光束通过外力作用下的单模光纤，由于光弹效应的作用，输出光束的相位发生改变；用检偏器对输出光束进行调制，并将其分为偏振态正交的两束光 ；两束光分别通过光电元件将光强转化为电压量，利用后续电路对两个电压量进行数学处理，使处理后的电压量与光束相位改变量的正弦值成线性关系，即
                                       （5）

    再利用式（1）就可以反求出外界压力的大小。实验装置中采用双光路检测的方法，能够有效地减少检偏之前引入的误差，达到提高检测精度的目的。

4 实验结论

    图3所示的实验数据可以看出在一定的压力范围内，经过数据处理后的电压量与外界压力之间近似成正弦关系，即
　　                                （6）

    式中K，K1为常数。

    联立式（1）和式（3）可以得出：

　　                                    （7）
　　

    式中 为常数。联立式（5）和式（7）可以推出：
　　 　　　                         （8）

    对比式（6）和式（8）可以得出：在一定的压力范围内，理论推导的结论与实验数据能够较好地吻合。实验证实了这种新的基于光弹效应光纤压力测量装置是可行的。

5 总结

    理论推导和初步的实验数据为这种新型压力测量装置的进一步研制、开发提供了依据。这种光纤压力测量装置最大的优点是：光纤作为光束传输的通道，同时又作为传感的元件。装置的结构更加简单，并且能够方便地实施远距离的遥测。这就使得这种测量装置能够更好地被应用于一些恶劣的环境中；同时由于作为传感元件的光纤本身抗干扰能力强，所以测量的精度也能得到很好的保证。随着技术的不断成熟，这种新型的基于光弹效应光纤压力测量装置一定能够广泛应用于工业、科研、军事等各个方面。

参考文献：

    [1] 赵中华，高应俊，骆宇锋．光纤压力传感器[J]．传感器技术，2005，24（12）：49-54．

    [2] 张鑫，郭清南，李学磊．压力传感器研究现状及其发展趋势[J]．电机电器技术，2004，4：28-30．

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

    [4] 孙圣和，王延云，徐续．光纤测量与传感技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000．103-104，139-143．

    [5] 万瑾，黄元庆．应力诱导单模光纤双折射的研究[J]．仪器仪表学报，2002，23（5）：111-113．

    [6] 阮迎澜，向清，黄修德．单模光纤应力诱导双折射及其测试研究[J]．中国激光，1966，23（10）：901-905．

    [7] 王延云，卢启柱．单模光纤弯曲双折射的研究[J]．光电子技术，1997，17（1）：50-53．

    [8] 廖延彪. 偏振光学[M]. 北京: 科学出版社, 2003．100-200.