一种新型光纤法布里-珀罗应变干涉仪

　　1　引　言

　　由于光纤应变传感器具有尺寸小、重量轻、精度高、抗环境干扰等优点而得到了广泛的应用。几种应力应变测量系统已经实现,例如光纤Bragg光栅传感器,高双折射偏振光纤传感器[2],白光干涉仪光纤传感器,本征或非本征法布里-珀罗光纤传感器。本文设计了一个非本征法布里-珀罗光纤应变测量系统,该系统对位移、温度和机械振动等参数很敏感。

　　2　工作原理

　　2.1　法布里-珀罗干涉仪原理

　　光纤法布里-珀罗干涉腔是在一段光纤的两个端面上由所镀的反射面形成。光射入光纤法布里-珀罗干涉腔后光的反射与折射的情况如图1所示。两个反射面的反射率分别为r1和r2,设r1= r2=r,腔长为d,并假设R1= R2= R = r2,则入射光经过多次反射和折射后透射光强和反射光强为

　　2.2　系统结构

　　设计了一种新型应变传感器。在F-P谐振腔中,采用透明弹性聚合物薄膜来代替以往的空气隙。把聚合物薄膜的两端作为法布里-珀罗的两个反射面,如图2所示。系统由一根光纤和一个放在钢板上的聚合物薄膜组成。光纤的末端被磨成45°角。聚合物薄膜放在钢板上形成F-P腔。腔长为d,它随外界的应变而变化。聚合物薄膜由聚氨基甲酸酯制成,包括两个位相结构区(称为硬部分和软部分),使材料具有很好的弹性和很高的拉力性能。表1为聚合物的薄膜性能。聚合物薄膜的反射率为0·04。

　　3　传感系统结构

　　光纤法布里-珀罗白光干涉仪是被用来测量聚合物薄膜在拉力试验中的厚度变化的,如图3所示。用环氧树脂把光纤应变传感器固定在需做拉力试验的样品表面。把电阻应变计粘在样品上。为了保证聚合物薄膜两面的反射率相同,需在聚合物薄膜的两端镀硅。

　　实验系统如图4所示。系统包括一个白光光源(波长λ=500~1000nm)、耦合器和光谱仪。光谱仪被用来接收传感器的反射信号。

　　假设聚合物薄膜厚度在静态时是常数,那么根据(3)式,相邻光强峰值处的位相表达式为

式中,λ1和λ2是相邻光强峰值处的波长值。为了获得多个峰值反射光的光谱,可以合理的选择聚合物的厚度。

　　4　实验结果

　　图5表示了不同聚合物厚度时的实验结果。光纤应变传感器的测量应变与电阻应变计的应变εF成正比关系:

式中,K(d)是光纤应变传感器的传感系数。聚合物是长方体, V= lwd, V,l,w,d分别是聚合物的体积、长度、宽度和厚度。可以得到

　　在加载过程中体积保持不变,体积和宽度的变化可以忽略不计,厚度的变化εF与长度的变化εE有如下的关系