熊猫光纤光栅温度传感特性的理论和实验研究

《熊猫光纤光栅温度传感特性的理论和实验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、熊猫光纤光栅温度传感特性的理论和实验研究第37卷第5期2008年5月光子学报ACTAPHOTONICASINICAVol.37No.5May20083国家自然科学基金60507010资助Tel:0532283958611Email:seapeter163.com收稿日期:2007201218熊猫光纤光栅温度传感特性的理论和实验研究3朱海1李智忠12蔡鹏1杨华勇2胡永明21海军潜艇学院山东青岛2660712国防科技大学光电学院长沙410073摘要:采用有限元法建立了熊猫光纤光栅的温度传感模型研究了熊猫光纤温度变化时的内部应力分布分析了几何结构变化对熊猫光纤光栅的温度传感特性的

2、影响规律1理论分析和实验结果均表明:熊猫光纤光栅两偏振反射峰和双峰间距的温度灵敏度系数都与猫眼半径和猫眼距离比值的平方r/d2成线性比例关系其快轴方向的温度响应能力大于慢轴方向1关键词:光纤光学熊猫光纤光栅温度传感几何结构中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:10042421320080520860250引言光纤光栅传感器是光纤传感领域的研究热点122而当前限制其发展的一个重要因素是它的交叉敏感问题1目前该问题的解决方案众多3但大多系统复杂使得光纤光栅传感器丧失了结构简单、体积小的固有优势.SudoM等人发现采用保偏光纤光栅可在大规模阵列应用中该问题更加突出1199

3、7年以实现温度和应变两个物理量的同时测量从而解决交叉敏感问题41美国EricUdd等人将中心波长分别为1300nm和1550nm的两个光栅同时写入保偏光纤形成了四个等效光栅实现了对三个应变分量和一个温度参量的同时测量51以上研究表明保偏光纤光栅是一种克服交叉敏感问题的有效方法6但要使其实用化还须解决一系列理论及目前国内对单模光纤光栅的研究成技术问题其中重点是对其温度传感特性的研究.果较多729但对保偏光纤光栅传感特性的系统研究报道较少1本文对熊猫保偏光纤光栅温度传感特性进行了理论分析和实验研究.1理论分析熊猫光纤主要由纤芯、包层和应力施加区又称“猫眼”三部分构成如图1是一种

4、应力型双折射光纤1由于光纤双折射的存在其横截面内存在相互正交的、分别为折射率最大和最小的两个方向分别被称为慢轴和快轴1对于熊猫光纤而言两猫眼连线方向为双折射的慢轴方向1图1熊猫光纤结构示意图Fig.1Thecross2sectionofPANDAfiber由于光纤双折射的存在在熊猫光纤上刻写一个光栅等效于在两个偏振方向的同一位置各写入了一个光栅1当一宽谱光注入时其反射谱线上会出现偏振态相互正交的两个反射峰中心波长可表示为λi2ni?ixy1式中ni为i方向的有效折射率?为光纤光栅的栅格周期1由于两个反射峰具有不同的温度、应变响应特性因而通过检测双折射光纤光栅不同偏振方向的反

5、射峰波长移动可获得两个光栅方程构成的方程组从而可实现对温度和应变的同时测量11.1温度传感机理分析以纤芯中心为原点以两猫眼连线方向为x轴建立笛卡尔坐标系如图1则可知x轴方向为慢轴方向y轴为快轴方向1对熊猫光纤光栅而言x和y偏振方向具有相同的热光系数和热膨胀系数因此两偏振方向的温度灵敏度系数基本相同1但是由于弹光效应在两个方向所引起的折射率变化不同使得两偏振方向的温度灵敏度系数有所差别两偏振反射峰中心波长随温度变化的移位关系可表示为75期朱海等:熊猫光纤光栅温度传感特性的理论和实验研究Δλiξ1niΔniepΔTαλiΔTKTiΔTixy2式中Δniep为由于弹光效应所引起的

6、有效折射率变化KTi为i方向上中心波长移动的温度灵敏度系数λi为i方向上的中心波长1则双峰间距δλ?λx-λy的变化量可表示为ΔδλΔλx-ΔλyKTx-KTyΔTKTdΔT3式中KTdKTx-KTy为双峰间距的温度灵敏度系数1本文采用有限元法对熊猫光纤光栅的温度传感特性进行了数值分析其基本思想是将具有无限多个自由度的连续体化为有限多个自由度的结构体101利用有限元软件的静态结构分析模块建立了熊猫光纤光栅的三维模型采用基于位移求解的有限元算法分析了温度变化所导致的其内部应力分布然后由弹光效应获取折射率变化量代入式2即可完成对温度灵敏度系数的求解1计算之前的准确度验证结果表明

7、10有限元计算数值与已知理论数值的计算误差小于0.1因此方法可行1图2是温度降低1?时的两坐标轴上的应力分布1对r16μmd24μm时的温度灵敏度系数的计算结果表明:KTx10.70pm/?KTy图2x坐标轴和y坐标轴上的应力分布Fig.2Thestressdistributionsalongx2axisandy2axis11.23pm/?KTd-0.53pm/?1正负表示波长移动的方向其绝对值的大小则表示温度响应能力的强弱1可见随温度的升高两个偏振方向上的中心波长都向长波方向移动y方向比x方向具有更灵敏的温度响应