张红霞33，刘海涛，井文才，徐天华，贾大功，张以谟
(天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072，光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学)天津300072)
摘要：作用在保偏光纤上的横向应力可以引起偏振耦合现象，通过测量耦合强度可以检测应力的位置和大小，实现应力传感。设计了应力施加装置，包括底座、手动微位移台、数显测力计、施力探头、旋转台、光纤夹持机构和受力支架。在1根直径125μm，拍长2.1mm的保偏光纤上进行了应力大小和作用长度对偏振耦合强度影响的实验研究。结果表明作用长度为拍长一半的奇数倍时，耦合强度最大。在部分区域耦合强度和应力大小成线性关系，可应用于应力传感器中。 关键词：保偏光纤；偏振耦合；应力传感；横向应力
中图分类号:TN253;TN38611 文献标识码:A 文章编号:100520086(2008)1121442204
R esearch of stress sensing b ased on m easu rem ent of polarization coupling in polariza2 tion2m aintaining fib er
ZHANG Hong2xia33,LIU Hai2tao,J IN G Wen2cai,XU Tian2hua,J IA Da2gong,
ZHANG Y i2mo
模胚
(C ollege of Precision Instrument&Opto2electronics Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,P.R.China, K ey Laboratory of Opto2electronics Information and T echnical Science(Tianjin University),Ministry of Educa2 tion,Tianjin300072,China)
Abstract:T ransversal force on the fiber can cause the polarization coupling in the polarization2maintaining fiber(PMF).The position and amplitude of the transversal force can be gotten by measuring the coupling intensity so that the stress sensing can be realized.The transversal force loading system is designed,which consists of the pedestal,adjust stage,digital display ergometer,loading force probe,rotating stage,fiber holder and bracket.The influences of the amplitude,acting length and the direction of the transversal force on the coupling intensity in the with a125μm diameter and the2.1mm beat length the PMF is studied.The experimental result indicates that the coupling intensity of the PMF is the best sensitive to the trans2 versal force when the acting length is the odd times of the half of the beat length of PMF.The linear relation between the coupling intensity and amplitude of transverse force is proved in the part region and the polarization coupling in the PMF can be applied in the stress sensing.
K ey w ords:P olarization2maintaining fiber(PMF);polarization coupling;stress sensing;transversal force
1 引 言
光纤传感技术把被测量作为光纤位置长度的函数，在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续测量，为工业和研究领域提供了同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化信息的手段[1～3]。目前研究比较多的光纤传感器主要是光纤布拉格光栅传感[4]，基于光背向散射的光时域反射计法和基于保偏光纤偏振耦合效应的传感器。
基于保偏光纤偏振耦合效应的传感器主要利用外部应力等作用使保偏光纤的两个正交偏振模式发生能量耦合，且功率耦合强度与外部扰动存在一定的数学关系的原理[5～7]，从而实现应力、温度及长距离位置传感[8～10]。
本文主要讨论在保偏光纤中如何实现应力传感，设计了应力施加装置，使得外部横向应力作用于保偏光纤上，通过实验验证横向应力作用于保偏光纤时耦合强度的变化。
2 基于保偏光纤偏振耦合应力传感的原理
保偏光纤由于受外部扰动而会发生偏振耦合，这也是进行传感的必要条件。
图1为保偏光纤受横向应力作用时的模型，通过保偏光纤
光电子・激光
第19卷第11期 2008年11月 Journal of Optoelectronics・Laser Vol.19No.11 Nov.2008 3
收稿日期:2007210222 修订日期:2008203222
3 基金项目：新世纪优秀人才支持计划资助项目；国家自然科学基金资助项目(60577013)；天津大学青年教师基金
33E2m ail:hxzhang@tju.edu
快慢轴(未受外力作用时)建立(x ,y )坐标系,x 轴为慢轴。横向应力的作用长度为l ，光线垂直于(x ,y )平面沿z 方向传播。在垂直于应力作用方向建立(ζ,η
)坐标系，力的方向为η轴。认为力的作用线通过光纤中心，且η轴与y 轴成α角[11]
。
图1 保偏光纤受横向应力作用时的受力模型
Fig.1 T h e m od el o f polarization 2m aintaining optical fib er by transvers al force
在横向应力作用区，保偏光纤传输轴上的光束会发生偏振
耦合，有部分能量耦合进垂直的主轴中。在功率耦合的过程中，能量守恒，可求出经过耦合点时的耦合强度。h =F 2
sin 2
(2α)・sin[π1+F 2+2F cos (2α)(l/L b 0)]1+F 2+2F cos (2
α)2
(1)
式中F =
5.4614L b 0
r
λf ，其中r 为保偏光纤的半径,f 为保偏光纤
的单位长度内受力大小，单位为N/mm ,
λ为传播的光波波长,L b 0为保偏光纤的拍长,α为应力方向和保偏光纤快轴的夹角。对于特定的保偏光纤，在横向应力作用下，力的大小f ，方向α决定了受力保偏光纤特征轴的转角和拍长的变化量，它们与作用长度l 一起决定了耦合强度h 的大小。
3 应力施加系统
为了从实验上验证基于偏振耦合现象进行应力传感的可行性，进一步明确外部应力与耦合点耦合强度之间的关系，开发了对保偏光纤进行应力施加的机械装置。 如图2所示，应力传感器主要包括底座、手动微位移台、数显测力计、施力探头、旋转台、光纤夹持机构、受力支架等组成，并可连接压电陶瓷微位移(PZT )器施加微小应力。 在应力施加装置中，底座是整个机械结构的固定平台，使整个施力环境稳定，不受外部环境因素影响。手动微位移台是一个位移分辨率为1μm 的平移装置，使施力探头和测力传感器一起发生微位移，引起测试光纤弹性变形，测力传感器实时显示相互间作用力大小。微位移台由线性滚珠导轨和精密微调螺纹副构成。它可与步进分辨率达10nm 的压电陶瓷微位移器组合使用，由手动台产生较大应力，而由PZT 产生微小应力，实现精密应力施加。数显测力计是应力施加系统的力传感装置，采用压电传感单元和16位AD 器件
，最大负荷20N (2kg )，最小分辨力0.01N (1g )，具有峰值显示和实时显示两种模式，显示光纤不同形变下的受力状态。施力探头直接与力传感单元相连，并作用于光纤，横截面分别为1mm ×10mm 、2mm ×10mm 、3.1mm ×9.4mm 、5mm ×8.5mm 、4mm ×8mm 等不同大小，使光纤受不同作用长度的应力影响，观察耦合现象的不同。
1.pedestal ;
2.Piezoelect ric transducer stage (PZT );
3.manual adjust stage ;
4.digital display ergometer ;
5.loading force probe ;
6.bracket ;
8.fiber holder ;
9.optical fiber
图2 应力施加系统总体结构图
Fig.2 Stru ctu re o f force lo ading system
乙酸乙酯实验装置 旋转台与光纤夹持机构组合，使保偏光纤可以360°任意旋
转，最小读数0.1°，使光纤快慢轴与施力探头具有不同的夹角。受力支架是一个受力平面，其位置可以横向调整，避免光纤在受横向应力时产生弯曲，图3为应力施加装置的实物图。
图3 应力施加装置实物图
Fig.3 Photo o f force lo ading system
・
3441・第11期 张红霞等：保偏光纤偏振耦合应力传感器的研究
包装箱制作
4 应力施加实验
在1根直径125μm ，拍长2.1mm 的保偏光纤上进行实acceptlanguage
验，改变力的大小和作用长度，观察保偏光纤耦合强度的变化情况。 1)力的大小变化 图4为作用长度为9.4mm 时，实验与理论曲线的比较，实线为理论曲线，带有数据点的为实验值。从实验结果可见，实验数据的变化趋势与理论是相同的，而且与理论数据基本重合[11]。随着力的增大，耦合强度也随着增大，其中有部分区域近似为线性,
因而能作线性应力传感。
图4 力的大小变化时耦合强度的变化
Fig.4 R elationship b etw een th e coupling intensity and th e amplitud e o f th e force w h en th e acting length is 9.4mm
图5用作用长度为3.1mm 的探头进行实验，发现了耦合
抛光毛刷强度的周期性变动，图中实线为夹角约为24°时的理论曲线，带圆圈的曲线为实验数据。进行理论仿真发现，随着力的增大，耦合强度呈周期性变化，而且周期与力的作用方向有关,
随着
图5 力的大小变化时耦合强度呈周期性变化
Fig.5 R elationship b etw een th e coupling intensity and th e amplitud e o f th e force w h en th e acting length is 3.1mm
角度增大，周期也在变大。图中，实验曲线和理论曲线趋势相同，这是因为光在经扰动区域传输时受到光纤内感应双折射的不断影响，通过两个模之间相互耦合使其耦合功率呈周期性变化。通过图4和图5发现，随着应力的增大，耦合强度呈周期性变化，在每个周期内，有相当一部分区域可近似为线性。 2)作用长度的影响 图6为作用长度分别为9.4mm 、1.2mm 、2.5mm 、5mm 时随着作用力的不同，耦合强度的变化情况，在四种作用长度下，耦合强度的变化表现出了不同的规律，如增长速度快慢。当然，由于实验条件的限制，每次实验受力方向可能略有不同。该实验定性的说明了力的作用长度将影响横向应力产生耦合点的耦合强度。在这几个不同的作用长度下，发现9.4mm 的作用长度下，耦合强度最大,9.4mm 是拍长一半的9
倍。
图6 作用长度对偏振耦合的影响
Fig.6 R elationship b etw een th e coupling intensity and th e acting length o f th e force
5 结 论
当横向应力作用于保偏光纤时，力的大小与耦合强度表现出周期性现象，作用长度为拍长一半的奇数倍时，耦合强度最大。应力施加装置还可以进一步的改进，以便于能够实现对应力大小，作用长度和方向的连续变化，实现对应力的精密测量[12]。 在应力大小对耦合强度的实验中，发现了在部分区域内，耦合强度和横向应力大小几乎成线性关系，因而能够作应力传感应用，这种保偏光纤应力传感器可应用于工业设施、民用建筑、飞行器及桥梁等的应用检测。
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作者简介:
张红霞 (1977-)，女，江苏扬州人，副教授，博士，主要研究工作是光检测及光传感1
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5441・第11期 张红霞等：保偏光纤偏振耦合应力传感器的研究
