單模光纖耦合傳感器的設(shè)計-文庫吧資料
2025-07-05 21:13本頁面
【正文】 激勵來檢驗光纖耦合振動傳感器和壓電振動傳感器在較寬頻段上的響應(yīng)特性，圖6是單模光纖耦合器的時域(上圖)和頻域.. (下圖)分布圖。壓電振動傳感器選擇的是專門用于振動和加速度測量的YJ9A型傳感器，測量頻率為.. 1～lOkHz，測量加速度最大為.. 2000 ms一。A／D轉(zhuǎn)換模塊采用研祥公司生產(chǎn)的AD—LINK2205型.. A／D轉(zhuǎn)換卡，采樣速率為500kHz／s，分辨率為12bit。系統(tǒng)光源采用.. FP—ID半導(dǎo)體 第.. 111期蔣奇，等：單模光纖耦合傳感器的設(shè)計激光器，工作波長為.. 1310nm，輸出光功率為3mW。根據(jù)光纖耦合振動傳感器的工作原理，設(shè)計了由等強(qiáng)度懸臂梁、光源、單模光纖耦合傳感器、壓電振動傳感器、光電轉(zhuǎn)換、差動接收放大電路、濾波器和信號處理單元等部分組成的振動檢測實(shí)驗系統(tǒng)，如圖5所示，圖5(a)中V和分別為耦合器兩個端口的解調(diào)輸出電壓，激光光源發(fā)出的光進(jìn)入耦合型光纖振動傳感器，傳感器的兩個輸出臂發(fā)出的光通過光電二極管接收，然后對放大后的電信號，進(jìn)行高頻噪音信號濾波和A／D轉(zhuǎn)換，進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行信號顯示及分析處理。因此，可以通過測量耦合器輸出功率變化求出傳感器加速度的值，實(shí)現(xiàn)對振動的測量。.. n—.. (7)其中，C為光纖耦合系數(shù)，L是耦合器耦合區(qū)的長度。5。是傳感器殼體的加速度(即要測量的對象的加速度)；為系統(tǒng)的固有頻率，叫.. =~／志／m；為阻尼比，一—=。從圖4b可看出對耦合光纖傳感5o()，器施加橫向的拉力或壓力變化時，由于耦合區(qū)的體積很小，產(chǎn)生的形變幾乎可以忽略，耦合器的輸出比基本沒有什么變化，器件呈現(xiàn)出非常良好的抗干擾性。在一1O～40℃，耦合比從.. 49．2增加到50．9，由溫度產(chǎn)生的誤差2，輸出變化的擬合曲線方程為.. R一0．00034t+ 0．0234t+46．39，式中.. t為溫度的變化量，單位為℃，尺為耦合輸出比，單位為。C時耦合器的輸出比隨溫度和橫向應(yīng)變(圖1的方向)影響的特性變化的曲線，如圖4所示。實(shí)驗中，本文選用了硅彈性樹脂作為耦合區(qū)的包層材料，其溫度特性與光纖相匹配，封裝后 光學(xué)精密工程第l7卷的耦合器粘貼材料選用糊狀環(huán)氧膠，雙組分糊狀，耐熱性好，強(qiáng)度高。圖2實(shí)驗裝置實(shí)物 Fig．2 Experimentsetupand truepicture (a)拉伸時的耦合比變化.. (a)Couplig airaitnrtovaitonwihpul ll (b)壓縮時的耦合比變化.. (b)Coupling ratiovariation withpresss圖3耦合器受到拉壓的耦合比變化 Fig．3 Coupling ratiovariationwith couplerstrain由式(5)可知，耦合器的輸出功率也是耦合系數(shù)和耦合長度的函數(shù)，而耦合系數(shù)由耦合光纖的截面形狀、折射率、兩光纖的中心距離等因素決定。實(shí)驗系統(tǒng)由激光光源、衰減器、光譜分析儀和微應(yīng)變儀等組成，其中，單模光纖耦合器選用的耦合輸出比為.. 50：5O，入射光源是深圳朗光公司生產(chǎn)的ASE150型寬帶光源，輸出帶寬為.. 1525～1560nm，輸出光功率為.. 20mw，選用的.. AQ6317C光譜分析儀，實(shí)驗裝置實(shí)物如圖.. 2所示。一其參數(shù).. 1—1．460，2—1．456，一8lO～，口』為.. 1550nm。所以為了使傳感器具有較高的靈敏度和較大的頻響區(qū)間，試驗中要選取合適的傳感器耦合區(qū)長度。從該公式分析知，耦合輸出是耦合器長度和振動頻率的函數(shù)。當(dāng)外界的擾動或振動在傳感器的耦合區(qū)傳播時，會引起耦合區(qū)長度和折射率的規(guī)律性變化，這種變化對耦合區(qū)光功率的傳播產(chǎn)生影響，導(dǎo)致耦合傳感器的輸出隨振動信號的變化而改變，耦合傳感器輸出端的差動輸出功率與人射光功率的關(guān)系可以表示為l3J：.. AP一.. 2 n( )cos[2 ]39。(1c(2：)dz)100，.. (4) 第1l期蔣奇，等：單模光纖耦合傳感器的設(shè)計根據(jù)上述表達(dá)式可看出，光功率隨耦合區(qū)的長度的變化進(jìn)行周期性的變換，耦合區(qū)長度的變化可以通過輸出端兩輸出光功率比值的變化來反映。假設(shè)入射光從光纖耦合器的一端進(jìn)入，其邊界條件為A(0)一1，A。自耦合系數(shù)相對互耦合系數(shù)很小，可以忽略，且近似有C一C。A+CA I ic)。CAJziA+i。制作光纖耦合器時，在耦合區(qū)內(nèi)的熔融區(qū)部分，兩根光纖的位置可以認(rèn)為相互平行且靠的足夠近，可以利用模式耦合理論對耦合器的傳輸性能和能量分布進(jìn)行分析。進(jìn)入輸入端，隨著兩個光波導(dǎo)逐漸靠近，兩個傳導(dǎo)模開始發(fā)生重疊現(xiàn)象，光功率在雙錐體結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生功率再分配，一部分光功率從“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分則由“耦合臂”傳到另一光路。由于熔融拉伸使加熱區(qū)的直徑逐漸減小，耦合器的性能參數(shù)也會隨之不斷發(fā)生變化，形成以包層為纖芯，芯外介質(zhì)作為新包層的新的復(fù)合光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本文對該類型光纖耦合的耦合模進(jìn)行了理論分析，以單模光纖耦合器為基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)行器件特殊設(shè)計與封裝，在分析光纖耦合傳感機(jī)理的基礎(chǔ)上，改變單模光纖耦合器的熔融拉錐過程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如耦合長度和耦合區(qū)折射率變化)，使之對外界的靜態(tài)應(yīng)變和動態(tài)激勵有較高靈敏的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)變和振動參數(shù)的監(jiān)測。這也是目前國內(nèi)外很多學(xué)者轉(zhuǎn)而研究如激光全息法、激光三角法、干涉法、激光多普勒效應(yīng)法、光纖與微機(jī)電.. (MEMS)法和散斑法使用的各種光學(xué)振動傳感器的原因之一。上述結(jié)果表明，耦合型光纖傳感器可基本實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變和振動參數(shù)的檢測，但面向?qū)嵱没€要考慮耦合區(qū)材料、結(jié)構(gòu)本身、制作工藝等因素的影響。實(shí)驗結(jié)果顯示，該類型傳感器對應(yīng)變的響應(yīng)非常靈敏，耦合比在1O～9o的線性關(guān)系良好，且溫度漂移影響可以穩(wěn)定在0．5以內(nèi)。第17卷第11期.. 光學(xué)精密工程.. Vo1．17 NO．11 2009年11月OpticsandPrecisionEngineering NOV．2009文章編號.. 1004—
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