耦合型单模光纤传感器用于振动测量研究

　　0　引言

　　光纤传感器因具有测量精度高、测量频带宽、电气绝缘、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,在振动检测、动态测试应用中越来越受到重视[1-2]。单模光纤耦合器作为一种基本的光学器件,除了用作分光/合光外,其耦合输出还具有对耦合区长度和耦合系数的变化敏感的特点[3-4]。文中以单模光纤耦合器为基本结构,通过特别的加工与强化处理,使之对应变和振动激励有较高的响应灵敏度,研制一种可用于振动测量的全光纤高性能耦合型单模光纤传感器。耦合型单模光纤传感器除具有一般光纤传感器的优点外还具有结构简单、易于制作、性能稳定、解调成本低等优点,是一种具有广阔应用前景的光纤传感器。

　　1　理论分析

　　耦合型单模光纤传感器的制作过程跟单模耦合器的制作过程相类似,将2根相同的单模光纤中部的涂覆层剥去,用酒精清洗干净,平行置于熔融拉锥机中,放在高温下进行加热熔融,同时通过夹具向光纤的两端拉伸,最终在光纤的加热区形成双锥形式的特殊波导结构[5]。由于熔融拉伸使加热区的直径逐渐减小,耦合器的性能参数也会随之不断发生变化,形成以包层为纤芯,芯外介质作为新包层的新的复合光波导结构,如图1所示。

　　当入射光p0进入输入端,随着2个光波导逐渐靠近,2个传导模开始发生重叠现象,光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配,一部分光功率从“直通臂”继续传输,另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。可以假设,光波最初从一个光纤输入,传输一定距离后,这部分光就会逐渐交换到另一光纤内传输,然后又会逐渐返回到最初的光纤中传输,整个传输过程随耦合长度呈周期性的变化与能量交换。

　　根据耦合模理论,光纤耦合器的耦合输出可以表示为[5]:

　　式中:C(z)为耦合系数; p1和p2是耦合器的两输出端耦合输出光功率值;z表示耦合长度。

　　由于耦合系数C(z)变化非常小,可视为常数;由式(1)可知两耦合输出光功率随耦合区的长度的变化发生周期性的变换,耦合区长度的变化可以通过耦合输出光功率的变化来反映。

　　将耦合型单模光纤传感器粘贴在悬臂梁上(设其长为L,宽为b,厚为h),并将其简化为一个由集中质量m、集中刚度k和集中阻尼c组成的二阶单自由度受迫振动系统,其振动力学模型可以表示为[6]：

　　式中:x为质量块m相对于传感器壳体的运动;x0为传感器壳体的加速度(即要测量的对象的加速度);ωn为系统的固有频率：

　　式中E为弹性模量。

　　设耦合区初始长度为l时,耦合输出比为50∶50(Δp=p1-p2=0)。则应变ε导致耦合区长度与折射率发生变化引起的输出功率差可以近似为[8-9]: