0 引 言
自1977年美国海军研究所(NRL)开始研究光纤传感系统(FOSS)以来,光纤传感器的品种已有近百种在世界很多国家的实验室里出现,而且有相当数量的光纤传感器正在研制当中。近年来,光纤传感器作为一种新兴的应用技术,在许多领域都已显示出强大的生命力,并得到大力发展。
光纤传感器从传感机理上来说,可分为振幅型(也叫强度型)和相位型(也叫干涉仪型)两种。
相位型光纤传感器的原理是在一段单模光纤中传输的相干光,由于待测物理场的作用,产生相位调制。理论上,相位型传感器的灵敏度要比现有的传感器高出几个数量级,并可通过改变光纤上的涂层来改变其传感的物理量。这样使用共同的光源和检测技术就能研制成传感不同物理量的具有极高灵敏度的传感器。
马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪就是相位型光纤传感器中的一种,与其他相关传感器相比,具有灵敏度很高,体积小,能耗少,重量轻,不受电磁影响,耐腐蚀,易于实现系统的遥控和控制等特点。
1 马赫-泽德光纤仪的类别、结构及特性
马赫-泽德光纤干涉仪按其测量的不同物理量分为3类:马赫-泽德光纤温度传感器,马赫-泽德光纤压力传感器和马赫-泽德光纤加速度传感器。
1·1 马赫-泽德光纤温度传感器
马赫-泽德光纤温度传感器结构如图1所示,包括激光器、扩束器、分束器、两个显微镜、两根单模光纤(其中一根为测量臂,一根为参考臂)、光探测器等。
马赫-泽德光纤温度传感器工作时,激光器发出的激光束经分束器分别送入长度基本相同的测量光纤和参考光纤,将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉,从而出现了干涉条纹。当测量臂光纤受到温度场的影响时,光相位发生变化,从而引起干涉条纹的移动。干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。光探测器接收到干涉条纹的变化信息,并输入到适当的数据处理系统,最后得到测量结果。
光纤的温度灵敏度以及相位移由式(1)给出:
式中,φ为相位移;Δφ为相位移变化;ΔT为温度变化; n为光纤的折射率;εl为光纤的纵向应变;εr为光纤的径向应变; p11、p12为光纤的光弹系数
式中,φ为干涉仪两个光纤臂的相位移; n为光纤折射率。
式(1)中等号右侧第一项代表温度变化引起光纤光学性质变化而产生的相位响应;第二项代表温度变化使光纤几何尺寸变化引起的相位响应。当干涉仪用的单模光纤的规格和长度已知时,光纤的温度灵敏度等有关参数就是确定值。表1给出一种典型的单模光纤的各个特性参数值。根据表内数据,可以计算出光纤的温度灵敏度以及有关各项。
1·2 马赫-泽德光纤压力传感器
由于压力和温度一样能使光纤产生应变,从而引起光相位的变化,所以马赫-泽德光纤干涉仪可以测量压力。
马赫-泽德光纤压力传感器与同型的马赫-泽德光纤温度传感器结构基本相同。
测量时,把作为测量臂的光纤放入待测受压环境之中,压力变化所引起的光相位差的变化表现为干涉条纹的变化,从而测压。
设压力p所引起的各向同性的应力δi表示为
此应力作用在单模光纤上,产生了应变s, s也可表示为
式中,μ、E分别为泊松比和杨氏模量。
对于长为l,传播常数为β的单模光纤,其光的波导模式的相位为
式中,Δl为由于压力产生应变所引起光纤长度的变化量;Δβ为应变光效应(即应变使光纤折射率以及光纤直径变化而产生的波导模色散效应)。
故
而
由理论推导可得光相位移的表达式
由上式进一步求出压力灵敏度
由于上式的第三项很小可忽略不及,则得到以下形式
由于光纤的组成不同,各参数不同,故压力灵敏度也各不相同。
1·3 马赫-泽德光纤加速度传感器
利用一定质量物体在加速度作用下产生惯性力,将这惯性力转变为位移、转角、变形等变量,通过对这些量的测量,就可以得出加速度的数值。利用马赫-泽德干涉仪测量加速度的实验装置如图2所示:
激光束通过分束器2后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束。测量光束经透镜耦合进入单模光纤,单模光纤紧紧缠在一个顺变柱体(空心的圆柱体)上,顺变柱体上端固定有质量块。顺变柱体做加速运动时,质量块的惯性力使圆柱体变形,从而拉伸绕于其上的单模光纤,引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束在分束器12处会合,产生干涉现象。在垂直位置放置的两个光探测器接收到亮暗相反的干涉信号,两路电信号由差动放大器处理。
当质量块的质量m远大于顺变柱体的质量mc时,这个惯性系统可以简化为一个简单的二阶质量即弹簧系统,其加速度的灵敏度为
式中,β=2nπ/λ;n为光芯的折射率;P11,P12为光弹系数;μf为纤芯的泊松比;λ为激光在光纤中的波长。
2 马赫-泽德光纤仪的应用
马赫-泽德干涉仪应用比较广泛,可以用于温度,应力和加速度等物理量的测量。
由于马赫-泽德压力传感器体积小,重量轻,纤细柔软,因而易于布置,适宜于分布传感及遥测,既可以作为传感器又可以传输信号,并且在传感和传输两个环节都不受电磁干扰等的影响,因而在机敏材料或结构中得到广泛应用。将光纤传感器埋入复合材料中,用于探测复合材料内部应力,应变以及估计结构的损伤,已成为一种新型的无损检测技术。
随着低损耗单模光纤,超小型固体激光源,光电检测器和其他相关光器件、电光器件的发展,马赫-泽德干涉仪将会在高科技领域得到更多应用。
参考文献:
[ 1 ] 王元庆.新型传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.
[ 2 ] 刘迎春,叶湘滨.现代新型传感器原理及应用[M].北京:国防工业出版社, 1998.
[ 3 ] 丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社, 1998.
本文作者：肖 冰
