F-P光纤应力传感器研制

第３６卷第３期光电工程ｖ０１．３６，Ｎｏ．３２００９年３月Ｏｐｔｏ－ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ－ｍ————Ｖ————————＿——－，，＿＿—＿——．—＿＿＿＿＿——－—————－———————————————————————————————————————————一ＩＩ——Ｉ＿●－●－＿●＿＿－●－＿●＿＿＿●＿＿－Ｍａｒｃｈ．２００９文章编号：１００３～５０ｌＸ（２００９）０３—００８８—０５

Ｆ．Ｐ光纤应力传感器研制

高晓丁１，高鹏２，王旭１

（１．西安工程大学机电学院，西安７１００４８ｌ

２．西安理工大学自动化与信息工程学院，西安７１００４８）

摘要：分析了Ｆ－Ｐ光纤应力传感器工作原理，提出了Ｆ－Ｐ光纤应力传感器的数学模型，设计了Ｆ—Ｐ光纤应力传感

器弹性体结构、光电转换系统。Ｆ－Ｐ光纤应力传感器光源电路设计采用ＡＰｅ电路。ＡＰｅ电路由两个运算放大器和

晶体管以及外围电路组成，采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的ＰＤ光电二极管监测

ＬＤ背向输出的光功率。对Ｆ－Ｐ光纤应力传感器进行了静态特性标定试验，试验结果表明，该传感器具有较高的

测量精度，能够满足工程测量要求。

关键词：光纤；应力传感器；Ｆ．Ｐ光纤应变计；ＡＰＣ电路；静态特性

中图分类号：ＴＮ２５３文献标志码：Ａ

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＦ．ＰＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＳｔｒｅｓｓＳｅｎｓｏｒ

ＧＡＯＸｉａｏ．ｄｉｎ９１，ＧＡＯＰｅｎ９２，ＷＡＮＧＸｕｌ

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ｓｔｒｅｓｓｓｅｎｓｏｒＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＦ：Ｐｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ

ｓｔｒｅｓｓｓｅｎｓｏｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ＴｈｅｓｅｎｓｏｒＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｌｄｏｆＦ－ＰＯｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒａｎｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｗａｓ

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ｓｅｎｓｏｒ；Ｆ・Ｐｓｔｒａｉｎ；ＡＰＣｅｌｅｃｔｒｉｃｃｉｒｃｕｉｔ；ｓｔａｉｌｃｓｔａｔｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ；ｓｔｒｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ

０引言

Ｆ．Ｐ光纤应变计是以法布里一泊罗白光干涉原理为基础，在宽频白光源下使用的应变、应力测量元件。Ｆ．Ｐ光纤应力传感器以输出光的光谱光强分布与应变计干涉腔长之间的对应关系，实现对传感器弹性体应变的测量和所受应力的测量。它具有高灵明度、高测量精度和高重复性等优点。本文设计了Ｆ—Ｐ光纤应力传感器，它避免使用光谱仪，从而大大降低了整个系统的成本，同时它又克服了光源波动，外界环境变化等因素的干扰【ｌ】ｏ

Ｆ．Ｐ光纤应力传感器主要由发光源、光纤、传感信号调制与光学解调器和光电信号转换几部分组成。Ｆ．Ｐ光纤应力传感器传感信号调制部分采用Ｆ—Ｐ光纤应变计；Ｆ－Ｐ光纤应力传感器采用半导体激光器光源，

收稿日期：２００８－０９－－０３；收到修改稿日期：２００８—１２—１６

基金项目：西安市辩技局工业攻关项Ｈ（ＧＧ０６０２６）

作者简介：高晓Ｔ（１９５６－）。男（汉族）。陕西西安人。教授，主要研究检测技术、传感器技术和机电控制。Ｅ－－ｍａｉｌ：Ｇａｏｐｅｎｇｐｅｎｇｌｌ９＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｌｌ・

第３６卷第３期高晓丁等：Ｆ—Ｐ光纤应力传感器研制８９光源电路采用简单可行的自动功率控制（ＡＰＣ）驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现半导体激光器恒功率控制；并且引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击‘２‘３１。

１Ｆ．Ｐ光纤应力传感器原理

根据材料力学知识，Ｆ・Ｐ光纤应力传感器弹性体结构设计如图ｌ所示，Ｆ—Ｐ光纤应变计贴装部位具有较高的应变水平且应变与被测应力及作用载荷保持严格的对应关系。在载荷Ｐ的作用下，贴装在悬臂梁上厶处的Ｆ－Ｐ光纤应变计１、２产生拉应变。

设弹性体的截面尺寸厚度为口，宽度为占，长度为￡，由材料力学知识可知梁的自由端施加载荷Ｐ时，引起梁上Ｆ—Ｐ光纤应变计贴装部位的应变为Ｈ

ｓ＝ｃｒ／Ｅ＝（６％）／（ＢＥＨ２）

Ｆ—Ｐ光纤应变计长度的变形量△，为

Ａ／＝仃・ＩＩＥ＝（６ＰＬｏ・Ｉ）Ｉ（ＢＥＨ２）

式中：，为Ｆ—Ｐ光纤应变计长度。（１）式中：盯为Ｆ．Ｐ光纤应变计贴装部位的应力，层为梁的弹性模量；Ｐ为载荷，Ｐ方向垂直于梁的长度向下。（２）

Ｆ－Ｐ光纤应变计的结构如图２所示，将两根光纤的端面加工为镜面Ｍ１、Ｍｅ，让两光纤端面严格平行、同轴。Ｍ１、Ｍ２镀上不同反射率的两个反射面形成不对称光纤Ｆ－Ｐ干涉腔。当一束光通过光纤入射到该Ｆ－Ｐ干涉腔内时在光纤的两端面发生多次反射，一部分光沿原路返回形成反射光；一部分光从Ｆ・Ｐ腔的另一端射出，形成透射光。

图２Ｆ．Ｐ光纤应变计干涉腔结构

ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＦｉｇ．１‰ｃｎ鹏ｏｆｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍＦｉｇ．２ｏｆＦ－Ｐｆｉｂｅｒｓｔｒａｉｎ

根据多光束干涉原理可以求得入射光经过光纤Ｆ—Ｐ干涉腔两端面多次反射之后的反射光光强为垆。１：

，＝２ａ２，．２（１＋ｃｏｓＯ）＝２ＩｏＲ（１＋ｃｏｓＯ）

式中：１０＝口２，口为光纤芯的半径；Ｒ＝／，，．为Ｆ—Ｐ干涉腔两个反射镜的反射比。

由式（３）可以看出干涉光的光强为两束光的相位差零的函数，而相位差圣与光程差６的关系为

圣＝２ｎ８／２（３）

万＝２ｎ・，・ｃｏｓｉ（４）（５）

式中：Ａ为光波的波长；玎为Ｆ—Ｐ光纤应变计的折射率；ｆ为折射光线与反射面法线的夹角，若ｉ＝００，则：

‘多＝４ｎ・玎・Ｉ／２＝２・，・∥（６）

式中∥＝２冗．ｎ／２。当光纤受到纵向或横向外力作用发生变形时，光纤中光波相位的变化为光纤的长度、芯径、光纤折射率等的多元函数，表达式为

△中＝∥・ｌ（Ａｌｌｌ）＋，・△以（△∥／△，１）＋，・Ａａ（Ａｐ／Ａａ）（７）

式（７）中第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟，称为应变效应；第二项表示由折射率变化引起的相位延迟，称为光弹效应，第三项表示由光纤半径改变所产生的相位延迟，称为泊松效应。依据弹性力学可证得ｐＪ：

△西＝（２ｎ－刀・ｋ／ｘ）・Ａ／

式中：七为光纤材料的应变系数；∥为光纤材料的泊松比；Ｐｎ、Ｐ１２为光纤材料的光弹系数。（８）ｋ＝１一ｆ（１一∥）・Ｐ１２一∥・ＰＩＩ］／２（９）

９０光电ｒ．程２００９年３月

一束光由传导光纤进入光纤Ｆ－Ｐ干涉腔所产生的两束反射光的光程差为Ｆ－Ｐ干涉腔长度，的２倍，由式（６）与式（８）得总相位差为

多＋△西＝（４７【・疗・，＋２ｎ・厅・ｋ・ａｉ）／ｇ

将式（１０）代人式（３）得光纤Ｆ．Ｐ干涉腔反射光强与光纤Ｆ—Ｐ干涉腔长度变形量△，的关系：

，＝２ＩｏＲ［１＋ｃｏｓ（４冗・玎－，／兄）－ｃｏｓ（２ｘ・，ｌ・ｋ・△，／兄）一ｓｉｎ（４冗－玎・，／旯）・ｓｉｎ（２ｎ・Ｈ・ｋ・△ｆ／允）】

式中：当，＝２ｍ２／８ｎ，ｍ＝ｌ，２，３，４，．．．，且２ｎ・甩・ｋ・４１／五远小于ｌ时，式（１１）可等效为

Ｉ＝２１０Ｒ（Ｉ一２ｎ・行・ｋ・ＡＩ／Ａ）（１２）

由式（１２）可见，除常量外，Ｆ－Ｐ干涉腔的干涉信号中包含有光纤长度变形量△，。将式（２）代入式（１２）７以分别得到两个Ｆ－Ｐ光纤应变计反射光强之和的交流分量与Ｆ－Ｐ光纤应变计贴装部位的应力仃的关系和与载荷Ｐ的关系：

，ｌ＋？２＝２１０Ｒ・［２一（４ｎ・露・ｋｃｒ・Ｚ／Ｅ）／Ａ】（１３）（１１）（１０）

，ｌ＋１２＝２ＩｏＲ・｛２一［４７【・ｎ・ｋ・（６ＰＬｏ・，／ＢＥＨ２）／兄］｝（１４）

由式（１３）、（１４）可知，只要测出贴装在传感器弹性体上两个Ｆ－Ｐ光纤应变计的反射光强，经过光电转换及信号处理后就可得出Ｆ．Ｐ光纤应变计贴装部位的应力仃的大小及载荷Ｐ的大小。

光纤应力传感器光电转换系统结构如图３所示。光源发出的光经过光纤耦合器进入Ｆ—Ｐ应变计干涉腔，Ｆ．Ｐ应变计干涉腔的长度随被测弹性体的形变而改变，Ｆ－Ｐ应变计干涉腔所产生的两束反射光干涉后从２ｘ２光纤耦合器的一端输出，它携带着Ｆ－Ｐ应变计干涉腔长度变形量△，的信息，经过光电变换和信号处理，可以得出Ｆ．Ｐ光纤应变计贴装部位的应力盯的大小及载荷Ｐ的大小例。

图３传感器光电转换系统结构

Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｅｎｓｏｒｐｈｏｔｏｅｌｅｅ砸ｃｓｙｓｔｅｍ

２Ｆ．Ｐ光纤应力传感器光源电路设计

光纤应力传感器光源电路设计采用ＡＰＣ电路。ＡＰＣ电路部分采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的ＰＤ光电二极管监测ＬＤ背向输出的光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的电流，达到输出稳定光功率的目的【１０１。

图４所示的ＡＰＣ电路由运算放大器１、２和三极管以及外围电路组成。该电路是一个以三极管为核心的负反馈系统，具有自动稳定激光器光输出功率的功能。反馈取自ＬＤ的背向光，由背向光监Ｎ－－极管Ｄ３，检出并转换成相应的电流，经电容器Ｃ１滤波后，

进入运放ＯＰＡ２的反向输入端，将电流信号转换成

电压信号Ｖ１。运放ＯＰＡ２的同向输入端由ＬＭ３３６

和运放ＯＰＡｌ组成的＋２．５Ｖ稳定基准源及变位器

Ｒ５组成，基准电压的输出为Ｖ２，可以通过变位

器进行调节。在给驱动电路加上电压的瞬间，会

产生一个较大的冲击电流，瞬间电流的大变化会

影响半导体激光器的使用寿命。基于这种情况，

在设计中引入慢启动电路，即在基准源的输入端

并接二极管Ｄ４和电容ｃ２，其中的ｃ２电容值在图４

Ｆｉｇ．４ＡＰＣ电路ｅｌｅｃ们ｃｃｉｒｃｕｉｔ２２－－４７妒。这样，驱动电路不受电源电压的干扰，ＡＰＣ

第３６卷第３期高晓丁等：Ｆ－Ｐ光纤应力传感器研制９ｌ具有慢启动效果，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命¨卜１２Ｊ。

ＡＰＣ电路控制过程如下：当由于某种原因，使ＬＤ的输出光功率降低时，耦合至光电二极管Ｄ３的电输出光功率相应增大，从而使输出光功率保持不变；反之亦然。

３Ｆ．Ｐ光纤应力传感器静态特性标定试验

Ｆ．Ｐ光纤应力传感器制作完成后在ＳＡＮｌ００力试验机上进行了静态特性标定试验，试验结果如表ｌ所示。

表ｌ

Ｔａｂｌｅｌ

０

０

０

０Ｆ．Ｐ光纤应力传感器静态特性标定试验ＴｈｔｏｆｓｔａｔｉｃｓｔａｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｏｒＦ—Ｐｆｉｂｅｒｓｔｒａｉｎ１１．５５．９８４Ｉ．５６．０５１２．０７．９８６２．０８．０５３ｓｅｎｓｏｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔｌｏａｄ／ｋＮ０．５１．８５５０．５２．０７４２．５９．９９１２．５１０．０４３．０１２．０３３．０１２．０１３．５１４．０２３．５１４．００４．０１６．０１４．０１６．０１＆ｎｓ０ｒｅｍｏｖａｌｖｏｌｔａｇｅ／ｍＶｕｎｌｏａｄ／ｋＮ３．９７２ｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳｅｎｓｏｒｅｍｏｖａｌｖｏｌｔａｇｅ／ｍＶ４．０５６

根据以上试验数据，计算Ｆ－Ｐ光纤应力传感器重复性误差晚（无量纲）和非线性误差昴（无量纲）如下：

疋＝＋＿＿２０－／Ｙｆ．・１００％＝Ｏ．３６

屏＝＋ＡＩ耳・１００％＝０．９０４

ｙｆ为满量程有效输出值¨川。

从Ｆ—Ｐ光纤应力传感器静态特性标定试验结果可看出：该传感器在整个量程内具有较高的测量精度；（１５）（１６）式中：盯为Ｆ－Ｐ光纤应力传感器加、卸载荷测试数据的标准偏差；彳为输出值曲线与拟合直线的最大偏差；在试验过程中光纤应力传感器光源电路的稳定特性保证了传感器重复性和线性精度；传感器在小量程段的重复性误差和非线性误差都大于大量程段重复性误差和非线性误差，由式（１２）、（１３）分析可知，在小量程段弹性体应变小，两个Ｆ—Ｐ光纤应变计反射光强比较弱，经转换所得到的电信号也比较弱，容易受到干扰，造成Ｆ—Ｐ光纤应力传感器较大的重复性误差和非线性误型１４Ｊ。依据应力集中的设计原则对Ｆ．Ｐ光纤应力传感器的弹性体进行优化设计可以大大减小Ｆ．Ｐ光纤应力传感器在小量程段的重复性误差和非线性误差ｕ川。结束语

Ｆ—Ｐ光纤应力传感器能量损失极小，Ｆ．Ｐ光纤应变计物理化学性质稳定、耐高温、抗电磁干扰能力强、无电火花、无短路负载。设计的光纤应力传感器的静态标定试验结果表明该传感器具有较高的测量精度，能够满足工程测量要求。

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F-P光纤应力传感器研制

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：高晓丁， 高鹏， 王旭， GAO Xiao-ding， GAO Peng， WANG Xu高晓丁,王旭,GAO Xiao-ding,WANG Xu(西安工程大学,机电学院,西安,710048)， 高鹏,GAOPeng(西安理工大学,自动化与信息工程学院,西安,710048)光电工程OPTO-ELECTRONIC ENGINEERING2009,36(3)1次

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13. 邹燕;李鹏;王峰 光纤传感器光源及驱动电路关键技术的研究[期刊论文]-激光杂志 2005(05)

14. 刘海涛;刘军;张春熹 光纤传感器光源驱动技术研究[期刊论文]-传感器技术 2003(06)

15. 郭听明江;梁大开;张为公 白光干涉型光纤法布里珀罗干涉仪传感器的研究 2002(2A)

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2. 兰玉文. 刘波. 罗建花. LAN Yu-wen. LIU Bo. LUO Jian-hua 光纤光栅三维应力传感器的设计与实现[期刊论文]-光子学报2009,38(3)

3. 张红霞. 刘海涛. 井文才. 徐天华. 贾大功. 张以谟. ZHANG Hong-xia. LU Hai-tao. JING Wen-cai. XU Tian-hua. JLA Da-gong . ZHANG Yi-mo 保偏光纤偏振耦合应力传感器的研究[期刊论文]-光电子·激光2008,19(11)

4. 钱颖. 张鹰. 于永森. 郑伟. 张玉书. Qian Ying. Zhang Ying. Yu Yong-sen. Zheng Wei. Zhang Yu-shu 基于特殊悬臂梁的光纤Bragg光栅应力传感器[期刊论文]-吉林大学学报（工学版）2006,36(5)

5. 刘永智. 李尚俊. 周元庆 分布式光纤应力传感器的空间分辨率与灵敏度[期刊论文]-半导体光电2000,21(1)

6. 刘钦朋. 乔学光. 贾振安. 王向宇. 李婷. LIU Qin-peng. QIAO Xue-guang. JIA Zhen-an. WANG Xiang-yu. LI Ting 双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器[期刊论文]-光子学报2007,36(9)

7. 孙琪真. 刘德明. 王健. SUN Qi-zhen. LIU De-ming. WANG Jian 全分布式光纤应力传感器的研究新进展[期刊论文]-半导体光电2007,28(1)

8. 李尚俊. 刘永智. Li Shangjun. Liu Yongzhi 高灵敏度、高分辨率分布式光纤应力传感器研究[期刊论文]-电子科技大学学报2000,29(4)

9. 韦世红. 王敏琦. WEI Shi-hong. WANG Min-qi 基于保偏光纤的光纤应力传感器研究与设计[期刊论文]-半导体光

10. 徐亚军. 刘长华 基于光纤微弯的分布式光纤应力传感器[期刊论文]-半导体光电2003,24(6)

引证文献(1条)

1. 许来才. 邓明. 朱涛. 饶云江 光子晶体光纤F-P干涉式高温传感器研究[期刊论文]-光电工程 2012(2)

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