光子晶體光纖壓力傳感器穩定性研究

摘要： 光子晶體光纖傳感器的穩定性在實(shí)際工程應用中具有重要影響。文章分析了光子晶體光纖壓力傳感器的基本原理， 介紹了光子晶體光纖壓力傳感器的系統組成， 從理論上分析了傳感器系統相對于光源波長(cháng)變化、輸出信號光強起伏及環(huán)境溫度波動(dòng)的穩定性。光子晶體光纖壓力傳感器激光光源的輸出功率及波長(cháng)的波動(dòng)、敏感元件長(cháng)度的改變和環(huán)境溫度的變化等都對整個(gè)傳感器系統的穩定性有影響。

0 引言

光纖對環(huán)境溫度和應力應變具有敏感特性， 可廣泛用于環(huán)境壓力變化的監測。光子晶體光纖（ PCF） 與傳統光纖相比具有獨特的傳光特性 ，在各種有源和無(wú)源器件中具有重要作用。在PCF 壓力傳感器中， PCF 對壓力的敏感性高于普通光纖，而溫度敏感性比普通單模光纖低一個(gè)數量級， PCF壓力傳感器比普通光纖傳感器更優(yōu)越 。在PCF壓力傳感器用于環(huán)境監測的過(guò)程中， 如果PCF 傳感器沒(méi)有很好的穩定性， 就無(wú)法精確確定其他誤差來(lái)源， 也就不能精確測量外界壓力的變化。因此， 傳感器的穩定性一直是工程應用中最為關(guān)心的問(wèn)題， 穩定性成為光纖傳感器實(shí)用化的主要障礙。影響光纖傳感器本身穩定性的因素主要包括光纖傳感器結構、光源的性能、外界溫度的改變和制造工藝。

PCF 傳感元件及其壓力傳感器具有優(yōu)異的傳感性能， 在智能材料結構領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，但傳感器的穩定性是PCF 壓力傳感器的關(guān)鍵。本文主要從PCF 壓力傳感器系統的激光光源、環(huán)境溫度變化及構成傳感器系統的其他無(wú)源器件等方面討論其穩定性。

1 PCF 壓力傳感基本原理

在PCF 壓力傳感器系統中， 作為敏感元件， 采用的是折射率引導型PCF, 其傳播的光脈沖限制在纖芯內。當有外部壓力作用時(shí)， PCF 內各點(diǎn)產(chǎn)生面應力， 在面應力作用下各點(diǎn)發(fā)生應變， 忽略剪應力和角應變， 在直角坐標系中， 正應力可表示為[δ x δ y δ z ] ， 其中δx 、δy 分別表示x 和y 軸所受的橫向應力，δ z 表示PCF 軸向即z 方向受到的應力； 正應變量可表示為[ εx εy ε z ] , 其中εx 、εy 表示PCF 橫向應變，εz 表示PCF 軸向應變。設PCF 傳感器中敏感元件PCF 所處的外界壓力場(chǎng)的壓力為f , PCF 纖芯直徑為d, 敏感元件PCF的長(cháng)度為L(cháng) , 外部壓力作用于敏感元件PCF 的示意圖如圖1所示。

圖1 外部壓力作用于敏感元件PCF 的示意圖

根據彈性力學(xué)理論， 在外界壓力作用下， PCF纖芯的3 個(gè)方向均會(huì )產(chǎn)生應力， 其應力可表示為：

根據彈光理論， PCF 中某點(diǎn)的應力與產(chǎn)生的應變滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

式中， Ci, j 是PCF 的彈性系數。根據彈性力學(xué)理論可以證明C11 = C22 = C33 , C12 = C13 = C21 = C23 = C31= C32 , 則在外界壓力作用下PCF 中產(chǎn)生的應變與靜壓力在PCF 中形成的應力之間的關(guān)系如下：