光纤模斑谱在应变检测中的应用研究

1　引　言

    在工程技术及科学技术中,应变检测十分重要,不仅可以监测材料本身应变变化,还可以利用测量的应变量间接传感其他不同的物理参量,例如:压力,流量等 [1,2]。用于检测应变的传感器中,使用最早、应用最为广泛的就是应变片,将应变量转为片阻的变化,在施加激励后,实现机械到电量的转化。但是,机-电 式传感器存在固有的缺点如:零漂,需间断地标定;环境适应能力差,不耐高压和腐蚀,需电绝缘;受温度和电磁干扰影响较大等。近年来随着光纤技术的发展,出 现了光纤传感器,用光纤传感器测量应变,一般情况都是利用其强度、相位、极化传感应变量。利用光纤作为传感器具有非常明显的优点:抗干扰力强、灵敏度高、 体积小、重量轻、柔性好等等。目前使用光纤测量应变比较成熟的方法有:布拉格光栅,微弯以及法布里伯罗传感器等。本文介绍一种利用光纤模斑进行应变传感的 方法,以及利用该方法进行的试验和结果。

2　理论基础

    根据光纤传输理论:单色相干光束在多模光纤中传输时,各个传输模会发生相互干涉,在光纤输出端面会形成干涉模斑图样,这个模斑谱分布可以表示为:

3　检测原理

    由前面的分析可知,光纤输出端的模斑场是由多个传输模干涉形成的干涉图样,当然在光纤发生应变时,将会引起各个模式的光程变化,最终干涉图样也将随之而 变。在完成将光强分布与相应的应变值一一对应的测量计算后,利用插值和外推运算,就可以实现对未知应变量的测量。以应变前的干涉图样作为参考图样,通过比 较应变前后的干涉图样,就可以得到相关的应变信息。对光斑进行空间相关运算是一种非常好的对比方法,因为模斑中的每个点都对最后的结果有影响,所以这种方 法将产生一个几乎无噪声的信号。

    设I₀(x,y)是模斑场中坐标为(x,y)点处的初始(或参考)光强,I₁(x,y)是该点在光纤应变后的光强,则它们的空间相关系数为:

其中:模斑场图像的像素数为M×N,K是归一化因子,定义为:

当两个模斑图样完全相同时,它们的相关系数最大为1,两者差异越大则相关系数越小,所以0<Γ 1。这样通过Γ就可以得到有关应变的信息。

4　实验结果

    图1是简单的实验原理图,从光源发射一束激光,注入一根通用多模光纤中,在传感区域,由该光纤的一段裸纤固定于应变物件表面,再由CCD采集光纤出射端模 斑谱图样,最后在计算机中对采集的模斑谱图像进行分析和处理。应变物件采用悬臂梁结构,利用螺旋尺在悬臂梁的自由端进行位移加载来实现物件的表面应变,位 移量为D,如图2所示。