光子晶體光纖壓力傳感器穩(wěn)定性研究

摘要： 光子晶體光纖傳感器的穩(wěn)定性在實際工程應(yīng)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(tǒng)組成， 從理論上分析了傳感器系統(tǒng)相對于光源波長變化、輸出信號光強(qiáng)起伏及環(huán)境溫度波動的穩(wěn)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的波動、敏感元件長度的改變和環(huán)境溫度的變化等都對整個傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響。

0 引言

光纖對環(huán)境溫度和應(yīng)力應(yīng)變具有敏感特性， 可廣泛用于環(huán)境壓力變化的監(jiān)測。光子晶體光纖（ PCF） 與傳統(tǒng)光纖相比具有獨特的傳光特性 ，在各種有源和無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數(shù)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(jiān)測的過程中， 如果PCF 傳感器沒有很好的穩(wěn)定性， 就無法精確確定其他誤差來源， 也就不能精確測量外界壓力的變化。因此， 傳感器的穩(wěn)定性一直是工程應(yīng)用中最為關(guān)心的問題， 穩(wěn)定性成為光纖傳感器實用化的主要障礙。影響光纖傳感器本身穩(wěn)定性的因素主要包括光纖傳感器結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但傳感器的穩(wěn)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(tǒng)的激光光源、環(huán)境溫度變化及構(gòu)成傳感器系統(tǒng)的其他無源器件等方面討論其穩(wěn)定性。

1 PCF 壓力傳感基本原理

在PCF 壓力傳感器系統(tǒng)中， 作為敏感元件， 采用的是折射率引導(dǎo)型PCF, 其傳播的光脈沖限制在纖芯內(nèi)。當(dāng)有外部壓力作用時， PCF 內(nèi)各點產(chǎn)生面應(yīng)力， 在面應(yīng)力作用下各點發(fā)生應(yīng)變， 忽略剪應(yīng)力和角應(yīng)變， 在直角坐標(biāo)系中， 正應(yīng)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(yīng)力，δ z 表示PCF 軸向即z 方向受到的應(yīng)力； 正應(yīng)變量可表示為[ εx εy ε z ] , 其中εx 、εy 表示PCF 橫向應(yīng)變，εz 表示PCF 軸向應(yīng)變。設(shè)PCF 傳感器中敏感元件PCF 所處的外界壓力場的壓力為f , PCF 纖芯直徑為d, 敏感元件PCF的長度為L , 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(jù)彈性力學(xué)理論， 在外界壓力作用下， PCF纖芯的3 個方向均會產(chǎn)生應(yīng)力， 其應(yīng)力可表示為：

根據(jù)彈光理論， PCF 中某點的應(yīng)力與產(chǎn)生的應(yīng)變滿足以下關(guān)系式：

式中， Ci, j 是PCF 的彈性系數(shù)。根據(jù)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(yīng)變與靜壓力在PCF 中形成的應(yīng)力之間的關(guān)系如下：