季彩虹, 江 超, 郭小珊, 劉昌寧, 孫四梅
(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 黃石 435002)
光纖彎曲傳感器在高樓、橋梁和軌道交通等建筑物的工程結(jié)構(gòu)與健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)中尤其重要,它能夠精確判斷這些建筑物的彎曲程度與彎曲方向[1,2]。由于光纖彎曲傳感器具有結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)、靈敏度高、物理強(qiáng)度好、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn),引起了人們的廣泛關(guān)注,出現(xiàn)了各種類(lèi)型的光纖彎曲傳感裝置[3~10]。例如,光纖光柵構(gòu)成的彎曲傳感器[3,5]、多芯光纖構(gòu)成的彎曲傳感器[6,8]、光子晶體光纖構(gòu)成的彎曲傳感器[9,10]等等。這些結(jié)構(gòu)的彎曲傳感器性能優(yōu)良,但也存在一些缺陷。例如,有些測(cè)量范圍較小,僅在mm-1量級(jí);有些制作難度大,重復(fù)性差;有些對(duì)使用環(huán)境要求嚴(yán)格,準(zhǔn)確性會(huì)受到外部環(huán)境因素影響。這些問(wèn)題的存在,增加了光纖傳感器的成本和復(fù)雜性,使它們的實(shí)際應(yīng)用受到一定的限制。全光纖干涉儀因其結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、制作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)而廣受關(guān)注[11,12],利用全光纖干涉儀制作彎曲傳感器也被人們重視[13~19],特別是利用馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x(Mach-Zehnder interferometer,MZI)構(gòu)成彎曲傳感器獲得了非常好的效果,靈敏度高,重復(fù)性好,響應(yīng)速度快等[16~19]。摻鉺光纖(Erbium-doped fiber,EDF)與普通單模光纖特性不同,EDF的纖芯具有高磷摻雜濃度,纖芯與包層之間存在較高的磷摻雜濃度差,具有更高的折射率對(duì)比度。因此,EDF中纖芯模和包層模傳輸存在更大的光程差,利用EDF更容易形成MZI[20]。
本文選用EDF設(shè)計(jì)一種光纖MZI彎曲傳感器,研究了傳感器的彎曲與軸向應(yīng)變特性。設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高,特別適合于大型工業(yè)工程、航空航天和建筑業(yè)等領(lǐng)域的彎曲與應(yīng)變測(cè)量。
圖1 EDF錯(cuò)位熔接構(gòu)成的MZI結(jié)構(gòu)示意與光路
傳感器結(jié)構(gòu)制備過(guò)程如下:
1)幾種光纖正對(duì)拼接:按照EDF+NCF+SMF順序正對(duì)熔接在一起,光纖熔接利用日本藤倉(cāng)公司生產(chǎn)的FSM—100P+大芯徑多功能光纖熔接機(jī)進(jìn)行。NCF作為耦合使用,一般不宜太長(zhǎng),取近似為2 mm;作為傳感元件的EDF,一般取2 cm長(zhǎng)即可;
2)SMF與“EDF+NCF+SMF”結(jié)構(gòu)的錯(cuò)位熔接:在錯(cuò)位拼接時(shí)必須優(yōu)化錯(cuò)位量,將結(jié)構(gòu)一端連接寬帶光源,一端連接光譜分析儀,手動(dòng)操作熔接機(jī),控制光纖錯(cuò)位量,觀察結(jié)構(gòu)的透射譜,經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比與優(yōu)化,透射譜具有較好的條紋顯示度與損耗峰值時(shí)錯(cuò)位量為最佳,最終制備的MZI中EDF與SMF芯徑錯(cuò)位量約5 μm,錯(cuò)位主要沿著光纖水平方向進(jìn)行(如圖1)。獲得的MZI透射譜如圖2所示,從圖中發(fā)現(xiàn)MZI的透射光譜諧振峰較多,條紋間隔較小。
圖2 EDF錯(cuò)位熔接構(gòu)成的MZI初始透射譜
選擇光譜圖中相鄰的波谷Dip 1與Dip 2來(lái)研究傳感器的彎曲與軸向應(yīng)變。其中,波谷Dip 1的中心波長(zhǎng)λ1=1 477 nm,峰值強(qiáng)度A1=-30.5 dB;波谷Dip 2的中心波長(zhǎng)λ2=1 483 nm,峰值強(qiáng)度A2=-37.48 dB,F(xiàn)SR=6 nm。
圖3為傳感器的空間頻譜圖,其中零頻基模與3個(gè)低階模式在光譜功率成分中所占比最大,它們對(duì)光譜的形成起主要作用。其余還有許多高階模式,在光譜成分中占比較小的比例,對(duì)光譜形成有一定的貢獻(xiàn)。說(shuō)明傳感器是一個(gè)多模干涉的過(guò)程。
圖3 EDF錯(cuò)位熔接構(gòu)成的MZI初始頻譜
通常,為了迅速積累相位差獲得最佳干涉,高折射率介質(zhì)或長(zhǎng)光路長(zhǎng)度是必須的。而EDF由于芯層中的高磷摻雜濃度,它的芯層和包層之間具有更高的折射率對(duì)比度,導(dǎo)致它的芯層模式和包層模式的光程差更大,因此選擇EDF更容易實(shí)現(xiàn)光纖MZI[20]。圖1為拼接的MZI光路圖,由于SMF和EDF纖芯錯(cuò)位,當(dāng)光進(jìn)入到EDF時(shí)會(huì)激發(fā)出不同的模式沿著不同的方向傳播,不同模式的光在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生光程差,形成一個(gè)MZI。依據(jù)光的干涉理論,設(shè)參加干涉的2個(gè)模式分別為纖芯模式和包層模式,則依據(jù)干涉的相位條件,獲得干涉儀透射譜波谷的波長(zhǎng)為
(1)
由表2可知,試驗(yàn)組小鼠十二指腸絨毛長(zhǎng)度與對(duì)照組相比分別提高11.31%和8.84%(P<0.05),試驗(yàn)組小鼠十二指腸絨毛長(zhǎng)度/隱窩深度與對(duì)照組相比分別提高18.32%和14.66%(P<0.05),試驗(yàn)組隱窩深度與對(duì)照組相比差異不顯著(P>0.05),但有降低趨勢(shì)。試驗(yàn)組之間的小鼠十二指腸絨毛長(zhǎng)度、隱窩深度及V/C均差異不顯著(P>0.05)。綜上所述,預(yù)消化蛋白可以顯著提高小鼠十二指腸絨毛長(zhǎng)度和絨毛長(zhǎng)度/隱窩深度比值(P<0.05),有降低隱窩深度的趨勢(shì)(P>0.05)。
Δε=D/R=D·C
(2)
式中D為包層與纖芯之間的距離,R為彎曲的半徑,C為曲率。此時(shí)纖芯與包層的有效折射率差[5,13]
(3)
式中k為應(yīng)變—折射率系數(shù),將式(3)代入式(1),得到干涉儀中諧振峰波谷波長(zhǎng)變?yōu)?/p>
(4)
從式(4)可知,當(dāng)曲率C變化時(shí),會(huì)造成λm變化。因此,當(dāng)傳感器發(fā)生彎曲時(shí),通過(guò)觀察傳感器透射譜波谷的波長(zhǎng)λm變化量,可以測(cè)量彎曲曲率的大小。
圖4為彎曲傳感測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置示意,把傳感器結(jié)構(gòu)通過(guò)2個(gè)可以旋轉(zhuǎn)360°的夾具固定好,2個(gè)夾具則固定在精密位移平臺(tái)上,固定在2個(gè)平臺(tái)之間的光纖傳感器必須拉緊繃直。在測(cè)試過(guò)程中,通過(guò)調(diào)節(jié)右邊精密位移平臺(tái)千分尺往里推動(dòng)位移平臺(tái),使光纖傳感器彎曲,實(shí)現(xiàn)在不同曲率下的彎曲傳感測(cè)量;通過(guò)同時(shí)旋轉(zhuǎn)固定光纖傳感器的2個(gè)可以旋轉(zhuǎn)360°的夾具,實(shí)現(xiàn)不同方向不同曲率下的彎曲傳感測(cè)量。當(dāng)完成一個(gè)方向的曲率測(cè)量后,要將光纖拉回繃直的初始狀態(tài),然后調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)夾具使傳感器旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,再進(jìn)行另一個(gè)方向的彎曲測(cè)量。
圖4 傳感器彎曲測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意
根據(jù)實(shí)驗(yàn)推導(dǎo),可以得出位移平臺(tái)移動(dòng)的位移量d和光纖曲率C之間的關(guān)系[19]
(5)
式中C為光纖彎曲的曲率,L為固定傳感器的2個(gè)平臺(tái)之間的距離,d為移動(dòng)位移值累計(jì)值。在這里L(fēng)=19 cm,實(shí)驗(yàn)中每次千分尺往里推進(jìn)5格,即d=0.05 mm,一共推進(jìn)了16次,位移總量為0.8 mm。
1)選擇在0°方向下進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn):圖5(a)為傳感器透射譜波谷Dip 1隨曲率的變化,由圖可見(jiàn),波谷Dip 1的中心波長(zhǎng)隨曲率的增大向短波長(zhǎng)方向漂移,曲率越大,諧振峰波長(zhǎng)越來(lái)越小。圖5(b)為波谷Dip 1的中心波長(zhǎng)與曲率C之間的變化關(guān)系,經(jīng)過(guò)擬合可得中心波長(zhǎng)與曲率C之間有好的線性關(guān)系,線性擬合度R2=0.986 1,得到Dip 1的曲率靈敏度α1=- 8.502 nm/m-1。圖5(c)為傳感器透射譜波谷Dip 2隨曲率的變化。由圖可見(jiàn),波谷Dip 2的中心波長(zhǎng)隨曲率的增大也向短波長(zhǎng)方向漂移,曲率越大,諧振峰波長(zhǎng)越來(lái)越小。圖5(d)為波谷Dip 2的中心波長(zhǎng)與曲率C之間的變化關(guān)系,經(jīng)過(guò)擬合可得中心波長(zhǎng)與曲率C之間有好的線性關(guān)系,線性擬合度R2=0.982 7,得到Dip 2的曲率靈敏度α2=-10.75 nm/m-1。兩個(gè)波谷測(cè)得的彎曲靈敏度還是比較大的,說(shuō)明傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)彎曲很敏感;
2)當(dāng)將結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到不同方向(90°,180°,270°)進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)獲得的曲率變化趨勢(shì)與曲率靈敏度大小基本一致,說(shuō)明該結(jié)構(gòu)不具備彎曲方向判別功能。
圖5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果
為了找出軸向應(yīng)變對(duì)彎曲變化的影響,利用圖4的實(shí)驗(yàn)裝置研究了傳感器的軸向應(yīng)變。將傳感器結(jié)構(gòu)固定在2個(gè)平臺(tái)之間保持繃直拉緊狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)右邊位移平臺(tái)的千分尺給傳感器施加不同的軸向應(yīng)變,每轉(zhuǎn)動(dòng)千分尺1次,記錄1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。軸向應(yīng)變?chǔ)?Δd/L,式中ε為對(duì)傳感器施加的軸向應(yīng)變量,Δd為位移平臺(tái)的位移量(每次必須累計(jì)),L為傳感器兩固定端之間距離。實(shí)驗(yàn)中,L為19 cm。實(shí)驗(yàn)中,用右邊的精密位移平臺(tái)往外拉伸傳感器,每次拉伸0.05 mm,拉伸范圍0~0.8 mm,每次拉伸時(shí)記錄傳感器的透射譜的變化情況。
圖6(a)為傳感器透射譜中波谷Dip 1在軸向應(yīng)變變化時(shí)的光譜變化,圖6(b)為傳感器透射譜中波谷Dip 1的中心波長(zhǎng)與軸向應(yīng)變的線性擬合。從圖6(a)中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)黾訒r(shí),傳感器的光譜整體向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向飄移(紅移)。由圖6(b)可見(jiàn),中心波長(zhǎng)隨軸向應(yīng)變變化有極好的線性關(guān)系,擬合度R2=0.991 7,軸向應(yīng)變靈敏度為1.013 pm/10-6。
圖6(c)為傳感器透射譜中波谷Dip 2在軸向應(yīng)變變化時(shí)的光譜變化,圖6(d)為傳感器透射譜中波谷Dip 2的中心波長(zhǎng)與軸向應(yīng)變的線性擬合。從圖6(c)中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)黾訒r(shí),傳感器的光譜整體向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向飄移(紅移),從圖6(d)中發(fā)現(xiàn),中心波長(zhǎng)隨軸向應(yīng)變的變化有極好的線性關(guān)系,擬合度R2=0.990 8,軸向應(yīng)變靈敏度為1.267 pm/10-6。
當(dāng)傳感器分別受到彎曲或者軸向應(yīng)變作用時(shí),均會(huì)造成傳感器透射譜諧振峰波谷的中心波長(zhǎng)發(fā)生線性漂移,而且造成的漂移方向是不一樣的,它們之間存在交叉敏感。但如果選擇傳感器2個(gè)敏感性較高的諧振峰波谷Dip 1與Dip 2為考察對(duì)象構(gòu)成傳輸矩陣,能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲與應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量,避免交叉敏感。設(shè)傳感器透射譜波谷Dip 1與Dip 2中心波長(zhǎng)分別為λ1和λ2,當(dāng)傳感器所監(jiān)測(cè)的曲率與軸向應(yīng)變同時(shí)變化時(shí),均造成λ1和λ2漂移,它們的漂移量Δλ1和Δλ2可表示為
Δλ1=α1ΔC+β1Δε
(6)
Δλ2=α2ΔC+β2Δε
(7)
式中 ΔC和Δε分別為傳感器的曲率與軸向應(yīng)變的變化量;α1和α2分別為λ1和λ2對(duì)應(yīng)的曲率靈敏度;β1,β2分別為λ1和λ2對(duì)應(yīng)的應(yīng)變靈敏度。由前面實(shí)驗(yàn)測(cè)得:α1=-8.502 nm/m-1,α2=-10.750 nm/m-1,β1=1.013 pm/10-6,β2=1.267 pm/10-6。由式(6)與式(7)可以得到下列測(cè)量矩陣
(8)
由矩陣(8)求逆矩陣可得到測(cè)量的曲率與應(yīng)變值。
利用光纖錯(cuò)位熔接技術(shù)制作一種光纖彎曲與軸向應(yīng)變傳感器。傳感器利用高摻雜的EDF與普通單模光纖錯(cuò)位熔接構(gòu)成,傳感器有較高的彎曲靈敏度,靈敏度達(dá)到-10.750 nm/m-1,傳感器對(duì)彎曲方向并不敏感,傳感器向不同方向彎曲時(shí),測(cè)得的彎曲變化趨勢(shì)與大小基本一致。另外,傳感器對(duì)軸向應(yīng)變有一定的敏感性,最大應(yīng)變靈敏度為1.267 pm/10-6。通過(guò)利用傳感器透射譜的兩個(gè)波谷中心波長(zhǎng)與彎曲和軸向應(yīng)變的變化關(guān)系,構(gòu)建測(cè)量矩陣,能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲與軸向應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量,消除交叉敏感。設(shè)計(jì)的傳感器具有一些優(yōu)點(diǎn),有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。