光子晶體光纖壓力傳感器穩定性研究

式（ 7） 表明， PCF 壓力傳感器系統光源波長(cháng)的波動(dòng)會(huì )影響傳感器對外界壓力的測量， 使傳感器的測量值具有不穩定性。在PCF 壓力傳感器探測信道中，由傳感器部分引入的光脈沖光程差可以被石英板引入的光程差補償時(shí)， 在探測信道才能檢測出光信號強度的明顯變化， 則傳感器探測信道記錄的強度可表示為：

式中， I 0 為探測器監測到的平均強度； γ是與光源光譜相關(guān)的函數； △Os 為傳感器系統引入的光程差；△Or 為石英延遲板補償的光程差； △φs 為傳感器系統引入的相位漂移量；△φ r 為由石英板在連續信道中引入的相位漂移；△Os - △Or 表示解碼系統光程差非平衡量； △φs - △φr 表示解碼系統相位漂移非平衡值。式（ 8） 表明， PCF 壓力傳感器輸出信號與激光器光源的光譜寬度有關(guān)， 受？？函數影響， 激光器光源的光譜形狀影響PCF 壓力傳感器信號測量的穩定性。

在PCF 壓力傳感器中， 光源光強的起伏會(huì )直接影響測量信號的大小， 激光器光源輸出脈沖功率的波動(dòng)會(huì )引起探測信道輸出信號的相位波動(dòng)， 必然帶來(lái)探測信道輸出電信號的波動(dòng)， 這樣也會(huì )影響到PCF 壓力傳感器系統的穩定性和測量精度。例如對于系統3 個(gè)不同探測信道， I 1、I 2 和I 3 是3 個(gè)信道光電探測器輸出電信號強度， 則解調后信號光相位波動(dòng)可表示為：

式中，a 2、a3 分別是I 2、I 3 兩個(gè)信道相對于第1 個(gè)信道I 1 的比值。式（ 9） 表明， 探測系統輸出信號強度的波動(dòng)對傳感器系統的穩定性也有重要影響。

2. 2 環(huán)境溫度影響

如果PCF 壓力傳感器所處的外界環(huán)境溫度發(fā)生變化， 也會(huì )造成PCF 中傳播的光脈沖相位的改變， 這種相位波動(dòng)會(huì )使PCF 壓力傳感器不能精確檢測外界壓力， 對傳感器的穩定性造成有害影響。溫度造成PCF 中傳播的光脈沖相位波動(dòng)主要有兩個(gè)方面： 熱致伸縮效應和熱光效應， 可表示為：

式中，β = dL / dT 是PCF 的熱膨脹系數； a= dn/ dT是PCF 的熱光系數；△ T 表示環(huán)境溫度改變量。假設光脈沖在1 064 nm 波長(cháng)附近，a = 1. 19 10- 5 K- 1,= 0. 55 10- 6 K- 1 , 取PCF 長(cháng)度L = 1 m,△ L =1 mm , n = 1. 450 2 , △T = 0. 1 K 。根據式（ 10） 可得到溫度所造成的相位波動(dòng)量為△φ= 3. 24。結果表明， 環(huán)境溫度的改變對PCF 壓力傳感器系統的性能穩定性的影響是非常大的。

3 結束語(yǔ)

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。

傳感器的穩定性是PCF 壓力傳感器的關(guān)鍵， 對其實(shí)際應用有重要影響。提高PCF 壓力傳感器工作環(huán)境溫度的恒定性， 增強傳感器工作激光光源波長(cháng)輸出功率的穩定性， 都有助于實(shí)現PCF 壓力傳感器的性能穩定。在PCF 壓力傳感器系統中， PCF 傳感元件是核心部件， 其穩定性和可靠性在很大程度上決定了整個(gè)傳感器的穩定性和可靠性， 而構成PCF 壓力傳感器的所有材料， 如耦合器、光電探測器和放大電路等均應有較好的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)長(cháng)期穩定性，且溫度系數必須相匹配， 以使整個(gè)系統處于線(xiàn)性工作范圍內。