基于兩光斑旋轉(zhuǎn)的光纖傳感器的溫度穩(wěn)定性研究

查　媛,吳　駿,王　華,馬軍山

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

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基于兩光斑旋轉(zhuǎn)的光纖傳感器的溫度穩(wěn)定性研究

查媛,吳駿,王華,馬軍山

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

為了研究基于兩光斑旋轉(zhuǎn)的光纖傳感器對(duì)溫度變化的靈敏性,設(shè)計(jì)了一種基于光斑旋轉(zhuǎn)角度調(diào)制的新型光纖傳感系統(tǒng)。在一根光纖上繞制2個(gè)光纖環(huán),通過改變光纖環(huán)1的直徑使光纖發(fā)生宏彎損耗獲得2個(gè)光斑,將光纖環(huán)2置于水溫控制箱中,觀察溫度的變化與出射光斑發(fā)生旋轉(zhuǎn)的關(guān)系。為了更好地對(duì)比,還觀察了溫度變化與三光斑角度旋轉(zhuǎn)的關(guān)系。通過對(duì)光纖宏彎損耗及光纖環(huán)耦合原理的分析,利用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出了兩光斑光纖傳感器具有溫度穩(wěn)定性的結(jié)論。

光纖傳感器; 宏彎損耗; 溫度變化; 光斑旋轉(zhuǎn)角度

引　言

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)。光纖傳感器以其高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、可彎曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及與光纖傳輸線路相容等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1]。如今,光纖傳感技術(shù)日益成熟和完善,可傳感角速度、壓力、溫度、電場(chǎng)、振動(dòng)等物理量,被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制以及醫(yī)療、生物、化學(xué)、電力檢測(cè)等方面。其中,利用光纖傳感技術(shù)的溫度測(cè)量也越來越受到人們的重視[2]。

光纖傳感器可以分為非功能型(傳光型或強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器)和功能型(傳感型光纖傳感器)2類,光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器,目前主要的光纖溫度傳感器有分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等[3-4]。

本文介紹一種基于光斑旋轉(zhuǎn)角度調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng),光纖所在環(huán)境的溫度變化會(huì)導(dǎo)致光斑旋轉(zhuǎn),從而改變出射端的光斑的角度。所以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的CCD獲得光斑圖像,再經(jīng)過MATLAB處理獲得所得圖像中的光斑角度,達(dá)到間接測(cè)量的目的。

1　基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖的宏彎損耗主要來源于光纖彎曲產(chǎn)生的空間濾波、模式泄露及模式耦合[5],其中以空間濾波效應(yīng)造成的損耗為主。光纖不同程度的彎曲將伴隨著不同程度的空間濾波。受到光纖彎曲的影響,光纖中的全反射的條件受到破壞,高階模將折射到包層中,較高階模式進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài),導(dǎo)致纖芯傳導(dǎo)模式減少。光纖的宏彎損耗主要包括輻射損耗和過渡損耗[6],可以表示為:

(1)

(2)

式中:a為芯區(qū)半寬度;R為光纖彎曲半徑;β為光波傳播常數(shù);Δ為相對(duì)折射率差;U、W為歸一化橫向傳播常數(shù);V為歸一化頻率。

經(jīng)式(1)、式(2)大量計(jì)算可得,由曲率半徑的改變而引起的過度損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輻射損耗[7]。由式(1)可以看出,光纖彎曲程度(R/a)越大,空間濾波效應(yīng)越明顯,輻射損耗也大,纖芯傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)就越少,導(dǎo)致出射光斑數(shù)量的減少。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,激光器(DH-HN250P)發(fā)出的光經(jīng)過聚焦透鏡耦合進(jìn)單模傳感光纖中,激光先經(jīng)過光纖環(huán)1(光纖環(huán)1為單模光纖繞制的一定半徑的單圈光纖環(huán),起空間濾波作用),再通過光纖環(huán)2(光纖環(huán)2為單模光纖緊密繞制在一定半徑的圓柱海綿體上形成的光纖環(huán),作為傳感光纖環(huán),并放在水溫控制箱中),CCD接收光纖輸出端的激光光斑,最終將光斑圖像傳至PC。

圖1　傳感器實(shí)驗(yàn)裝置

2　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.1光斑數(shù)變化

2個(gè)級(jí)聯(lián)的光纖環(huán):光纖環(huán)1的直徑為20 mm;光纖環(huán)2直徑為20 mm,有6圈且緊密繞在圓柱形海綿體上。初始光斑為4個(gè),減小光纖環(huán)1的直徑到16 mm后,光斑減少為3個(gè),繼續(xù)減少光纖環(huán)1的直徑到10 mm,光斑變?yōu)?個(gè)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察得到,縮小光纖環(huán)1的直徑,由于壓縮使光纖結(jié)構(gòu)和光纖傳播常數(shù)發(fā)生變化,導(dǎo)致光波模式的耦合、損耗變大,進(jìn)而減少了出射光斑的數(shù)量。

2.2光斑旋轉(zhuǎn)

2個(gè)級(jí)聯(lián)的光纖環(huán):光纖環(huán)1直徑為10 mm;光纖環(huán)2緊密繞著圓柱形海綿體6圈,直徑為20 mm。實(shí)驗(yàn)中逐漸降低水溫控制箱的溫度,獲得圖2所示的光斑圖(圖2中的(a)至(h)分別表示從90℃每隔10 ℃依次降到20 ℃時(shí)兩光斑角度變化的光斑效果圖),改變水溫控制箱的溫度,兩光斑繞整體中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度基本不變。另一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,改變光纖環(huán)1的直徑為16 mm,光纖環(huán)2緊密繞著圓柱體海綿6圈,直徑仍為20 mm,PC中顯示3個(gè)光斑。利用實(shí)驗(yàn)裝置獲得圖3所示的光斑圖(圖3中的(a)至(h)分別表示從90 ℃每隔10 ℃依次降到20 ℃時(shí)三光斑角度變化的光斑效果圖),改變水溫控制箱的溫度,三光斑繞整體中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度發(fā)生了一定的變化。此現(xiàn)象為下面的兩光斑位移傳感器具有溫度穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)。

圖2　兩光斑溫度變化的光斑圖

圖3　三光斑溫度變化光斑圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1光斑圖處理

將攝像頭CCD讀取到的視頻轉(zhuǎn)化為圖片,接著就用MATLAB進(jìn)行處理。具體過程是先進(jìn)行灰度化和壓縮處理,再對(duì)光斑均勻化,接著計(jì)算出各光斑的中心點(diǎn)和整個(gè)光斑圖的中心點(diǎn),最后再計(jì)算光斑的旋轉(zhuǎn)角[8]。對(duì)圖2、圖3各光斑圖進(jìn)行灰度化、壓縮和光斑均勻化處理,得到如圖4、圖5所示的光斑圖。

3.2光斑旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算及分析

通過MATLAB處理分別獲得2個(gè)光斑的特征點(diǎn)質(zhì)心,再通過變換坐標(biāo)方式可以方便快捷地測(cè)出2個(gè)光斑質(zhì)心相連線與水平位置的角度,從而獲得溫度變化與特定直徑傳感光纖環(huán)光斑旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系,測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。三光斑角度的計(jì)算與兩光斑不同,因?yàn)槿獍咧行狞c(diǎn)組成的等邊三角形的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的,而且三角形中心點(diǎn)是相對(duì)固定不動(dòng)的,通過MATLAB處理分別獲得3個(gè)光斑的特征點(diǎn)質(zhì)心,取其中兩光斑連線的中心點(diǎn)坐標(biāo)值,再計(jì)算該點(diǎn)和第3個(gè)光斑中心點(diǎn)的連線與水平位置的角度,從而獲得三光斑旋轉(zhuǎn)角度與傳感光纖所處環(huán)境溫度變化的關(guān)系,測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4　兩光斑溫度變化的二值化光斑圖

圖5　三光斑溫度變化的二值化光斑圖

溫度T/℃角度θ/(°)溫度T/℃角度θ/(°)9056.5475043.6828050.2784042.6107047.7533042.5446044.3902041.779

表2　三光斑旋轉(zhuǎn)角度與溫度變化的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB最小二乘法處理,得到圖6所示的兩光斑旋轉(zhuǎn)角度與溫度變化的關(guān)系圖,對(duì)應(yīng)于表1中的數(shù)據(jù);圖7所示的是三光斑旋轉(zhuǎn)角度與溫度變化的關(guān)系圖,對(duì)應(yīng)于表2中的數(shù)據(jù)。

通過圖6與圖7的比較得出,改變傳感光纖所處環(huán)境的溫度,三光斑的旋轉(zhuǎn)角度隨著溫度的變化而改變,且存在很好的線性關(guān)系:θ=0.852 6T,線性度為-3.613 2。然而在一定的誤差范圍內(nèi),改變傳感光纖所處環(huán)境的溫度,兩光斑旋轉(zhuǎn)角度基本保持不變,即外界溫度參量并不影響兩光斑彎曲線性實(shí)驗(yàn)的靈敏度,從而證實(shí)了基于兩光斑旋轉(zhuǎn)的光纖傳感器具有溫度穩(wěn)定性。

圖6　兩光斑旋轉(zhuǎn)角度與溫度變化的關(guān)系圖

圖7　三光斑旋轉(zhuǎn)角度與溫度變化的關(guān)系圖

4　結(jié)　論

本文提出了測(cè)量溫度變化的光纖傳感系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)獲得了兩光斑旋轉(zhuǎn)角度與傳感光纖所處環(huán)境變化的關(guān)系,得出了基于兩光斑旋轉(zhuǎn)角度的光纖傳感器具有溫度穩(wěn)定性的結(jié)論。此外根據(jù)耦合模理論,也可以從理論上分析出兩光斑與三光斑低階模的受溫旋轉(zhuǎn)性。此傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,還具有很好的重復(fù)性。由于光斑旋轉(zhuǎn)方向的特定性,此系統(tǒng)可以用來做溫度的測(cè)量,此外還可以拓展至頻率、重量等多種變量的測(cè)量。

[1]郭培源, 付揚(yáng). 光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006: 105-113.

[2]周順斌, 劉瑩. 光纖位移傳感器的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. 煤礦機(jī)械,2008, 29(6): 10-11.

[3]YUAN Y F, WU G, LI X, et al. Effects of twisting and bending on LP21 mode propagation in optical fiber[J]. Optics Letters, 2011, 36(21): 4248-4250.

[4]FAN Y Q, WU G, WEI W T, et al. Fiber-optic bend sensor using LP21 mode operation[J]. Optics Express,2012, 20(24): 26127-26134.

[5]王華, 査媛, 吳俊, 等. 基于光斑旋轉(zhuǎn)的光纖溫度傳感器[J]. 光學(xué)儀器, 2014, 36(4): 311-314.

[6]何國(guó)財(cái). 多模光纖的彎曲損耗實(shí)驗(yàn)研究[D]. 吉首:吉首大學(xué),2011: 9-18.

[7]鄒丹丹. 基于光纖宏觀彎曲損耗的射流壓力參量測(cè)量技術(shù)研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué),2008:10-15.

[8]范宇強(qiáng), 袁余鋒, 魏婉婷, 等. 基于LP21模式的光纖彎曲傳感器[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(11):1128005-1-1128005-6.

(編輯:劉鐵英)

The research on the thermal stability of temperature sensor based on two faculae rotation

ZHA Yuan,WU Jun,WANG Hua,MA Junshan

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to research the temperature sensitivity of optical fiber sensor based on two faculae rotation,a new optical fiber sensor system based on the monitoring of facula rotation angle is designed.Firstly,one fiber is coiled into two fiber loops (Loop 1 and Loop 2).Then the radius of the Loop 1 is changed to incur macros bending loss and two faculae is realized.Meanwhile,Loop 2 is put into water temperature monitor box and temperature changes are observed relate to facula rotation angles.The experiment also shows how temperature changes relate to three faculae rotation angles for comparison.Finally,the principle of optical fiber macros bending loss and fiber optic ring coupling is analyzed.MATLAB is used to process the collected data of the experiments and the result shows that two faculae optical sensor is thermally stable.

optical fiber sensor; bending loss; temperature change; facula rotation angle

2015-09-17

查媛(1991—),女,碩士研究生,主要從事光纖通信方面的研究。E-mail:717661286@qq.com

馬軍山(1967—),男,教授,主要從事光學(xué)精密測(cè)試、光通信技術(shù)等方面的研究。E-mail:junshanma@163.com

1005-5630( 2016) 03-0200-05

TP212.1

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.002