1 引 言
大氣壓力不僅是氣象遙測(cè)系統(tǒng)中重要的參數(shù)，同時(shí)也是現(xiàn)代飛行器描述飛行高度的重要參數(shù)之一。與采用傳統(tǒng)的諧振筒式、電容式或電阻式盒膜氣壓傳感器測(cè)量大氣壓力的方法相比，光纖氣壓傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、可調(diào)參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛關(guān)注。肖韶榮等[1]研究了一種雙通道光纖位移傳感器，通過檢測(cè)雙膜盒的形變量，實(shí)現(xiàn)大氣壓力的測(cè)量，測(cè)量裝置的精度不受探測(cè)光束強(qiáng)度變化和環(huán)境光干擾。但這種光纖位移傳感器的輸出特性參數(shù) φ 與氣壓值存在非線性關(guān)系，需要適當(dāng)選擇光纖探頭的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)才能獲得較大的測(cè)量線性范圍。朱佳利等[2]研究了一種新型光纖法布里-珀羅壓力傳感器，通過光刻、硅片刻蝕、陽(yáng)極鍵合等微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制作而成，適合惡劣環(huán)境下狹小空間內(nèi)環(huán)境壓力的微壓測(cè)量。但這種光纖位移傳感器采用光譜儀解調(diào)，成本高難度大。倪敏等[3]研究了一種激光微加工制作的光纖壓力傳感器，在0~60 MPa的壓力范圍內(nèi)，輸出相位具有很好的線性度，但這種傳感器的相位解調(diào)成本昂貴。李智忠等[4]提出了一種基于橫向荷載壓力增敏的新型邊孔光纖光柵封裝裝置, 使邊孔光纖光柵雙峰間距的壓力靈敏度從5.6 pm/ MPa增加到119.14 pm/MPa，這種傳感器需要可調(diào)諧窄帶激光光源，用于大氣測(cè)量的成本高、難度大。劉宏月等[5]研究了基于盒膜結(jié)構(gòu)的微彎式長(zhǎng)周期光纖光柵氣壓傳感器，其輸出量(波長(zhǎng)諧振峰幅值)與氣壓存在非線性關(guān)系，解調(diào)需要光譜儀，用于測(cè)量大氣壓同樣存在成本高難度大問題。這表明，現(xiàn)有的光纖氣壓傳感器還存在一定的缺陷。
光纖微彎傳感器直接測(cè)量光的強(qiáng)度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于檢測(cè)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此光纖微彎傳感器一直是光纖傳感器的研究熱點(diǎn)之一。目前，光纖微彎傳感已是較成熟的傳感方法，但大量理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖微彎傳感器輸出損耗與位移變化量(或壓力變化量)存在非線性關(guān)系[6-7]，包括帶隙型光子晶體光纖的微彎損耗[8]，是目前光纖微彎傳感器的主要問題之一。為此本文提出采用非線性彈簧結(jié)構(gòu)，降低了光纖微彎壓力傳感器大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的非線性，從而獲得了高靈敏度和良好的線性響應(yīng)特性，能夠更好地適用于大氣壓測(cè)量以及飛行器高度測(cè)定，具有良好的應(yīng)用前景。
2 微彎光纖氣壓傳感器原理
圖1為光纖微彎氣壓傳感器原理示意圖，采用圓形膜片加梯形彈簧結(jié)構(gòu)。圓形剛性膜片固定在彈性橡膠上，其作用是將膜片上下氣壓差產(chǎn)生的壓力傳遞給梯形彈簧。梯形彈簧是氣壓變化的敏感元件，通過測(cè)量彈簧變形量而獲得氣壓差值，而彈簧變形量是通過測(cè)量光纖的微彎衰減而獲得的。光纖微彎變形器的活動(dòng)板固定在膜片中心位置，氣壓變化時(shí)，由于膜片上下表面存在氣壓差，膜片會(huì)產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)變形器的活動(dòng)板移動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為光纖微彎變形量，從而實(shí)現(xiàn)氣壓值到光纖微彎損耗的轉(zhuǎn)化。
2.1 光纖微彎損耗特性
光纖微彎傳感器由兩塊波形壓板(變形器)和兩只彈簧構(gòu)成。其中一塊波形壓板是固定板，另一塊是活動(dòng)板，用兩只彈簧將其連接到固定板上，并將一根多模光纖(階躍型或漸變型)置于兩塊波形壓板之間。當(dāng)活動(dòng)板受到膜片的壓迫時(shí)，光纖就會(huì)發(fā)生周期性彎曲，其彎曲程度與活動(dòng)板所受壓力有關(guān)。光纖中傳導(dǎo)模的一部分能量耦合到輻射模，形成模耦合損耗[9-10]。當(dāng)活動(dòng)板所加的壓力增加時(shí)，模耦合損耗也隨之加大，使輸出光強(qiáng)受到了調(diào)制。光纖微彎傳感器通過檢測(cè)光纖損耗的變化就能測(cè)出氣壓的變化量，因此它是一種強(qiáng)度調(diào)制型傳感器。采用半導(dǎo)體激光器(LD)作為光源，其優(yōu)點(diǎn)是耦合到光纖的光強(qiáng)度高，容易探測(cè)，缺點(diǎn)是光源光強(qiáng)度穩(wěn)定性較差，但由于光纖微彎傳感器的變量是光衰減量，所以只要測(cè)量光強(qiáng)度的相對(duì)變化量就能得到正確的光衰減量，即通過檢測(cè)光纖出射光強(qiáng)與LD光源入射到光纖的光強(qiáng)的比值就能得到光衰減量。
光纖微彎損耗是光纖隨機(jī)畸變而產(chǎn)生的高次模與輻射模之間的模耦合引起的光功率損失，根據(jù)光的波動(dòng)理論可導(dǎo)出周期性微彎損耗 αm 的一階近似表達(dá)式[11]：
式中 αm 單位為dB/m，K為比例系數(shù)；h 為光纖波狀彎曲幅度；L為光纖產(chǎn)生微彎變形部位的長(zhǎng)度；Δβ 為彎曲光纖中傳導(dǎo)模和輻射模的傳播常數(shù)差，q = 2π/Λ ，Λ 為微彎周期。由(1)式可見，微彎損耗 αm 與光纖波狀彎曲幅度 h 的平方成正比，即光纖微彎幅度越大，模式耦合越嚴(yán)重，光能輻射越多，損耗越大。當(dāng)光纖和變形器參數(shù)確定后，(1)式可簡(jiǎn)化為
式中
，可看成為一個(gè)比例系數(shù)。圖2(a)為光纖微彎光功率變化 ΔΦ 隨光纖微彎幅度 h 的變化曲線[6]，其中 ML為普通多模光纖，SMSL為普通單模-多模-單模光纖。由圖 2(a)可以看出，ΔΦ - h 曲線具有明顯的二次曲線特征，普通多模光纖的二次擬合曲線如圖2(b)所示，擬合公式為
式中 ΔΦ 單位為mW，h單位為10 mm。
2.2 梯形彈簧光纖微彎傳感器原理
圖1中，圓形膜片的四周為橡膠，具有很大的伸縮性，因此當(dāng)膜片兩側(cè)存在氣壓差時(shí)，膜片只是整體移動(dòng)，不產(chǎn)生變形，壓力通過變形器活動(dòng)板傳遞給梯形彈簧。梯形彈簧如圖3(a)所示，該彈簧承受的壓力增加時(shí)，彈簧圈從大端開始并死，隨著并死圈數(shù)的增多，有效圈數(shù)相應(yīng)的減少，彈簧剛度也隨之逐漸增大，直到彈簧完全壓并為止，這一階段壓力與形變量呈非線性關(guān)系，其形變量 h 與彈簧所受壓力 ps 的關(guān)系曲線如圖3(b)所示。
圖3(b)實(shí)驗(yàn)曲線表明梯形彈簧變形量對(duì)氣壓值的響應(yīng)呈現(xiàn)二次曲線非線性特性，對(duì)圖中的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，可得擬合方程為
式中 ps 單位為N，h 單位為mm。
圖1中采用了2個(gè)梯形彈簧，每個(gè)彈簧受到的壓力為 ps = p/2 ，于是由(2)式和(4)式可得
式中 η = Am/1.64 為光纖微彎衰減比例系數(shù)，(5)式表明采用梯形彈簧的光纖微彎氣壓傳感器的光強(qiáng)度衰減輸出與膜片兩側(cè)差壓 p 具有線性傳感特性。這是因?yàn)楫?dāng)施加在彈簧上的壓力增加時(shí)，彈簧形變量隨著減小，可抵消光纖變形器位移傳感的非線性。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
光纖微彎氣壓傳感器實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)裝置中LD光源輸出的連續(xù)光經(jīng)過3 dB耦合器等量分解到傳感光纖和參考光纖中，傳感光纖和參考光纖的輸出光由PIN光電探測(cè)器PD1和PD2探測(cè)。在參考光纖中插入了一個(gè)光衰減器，用于補(bǔ)償傳感光纖因微彎變形器引起的附加損耗。在傳感光纖中連接了一個(gè)包層模消除器，用于去除光纖微彎時(shí)從纖芯耦合到包層的光。傳感光纖和參考光纖均為多模光纖(其數(shù)值孔徑NA=0.19，纖芯半徑 a = 25 μm )，傳感光纖輸出光強(qiáng)隨變形器位移變化而變化，變形器的位移變化量由膜片下方的參考?xì)馐液湍て戏降臏y(cè)量氣室的氣壓差決定。PD1和PD2構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)檢測(cè)電路，將光纖輸出光強(qiáng)度差轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，送至輸出顯示。其中變形器總齒數(shù)為10齒，齒距為 2.9 mm 。
3.1 測(cè)量光路損耗和光源波動(dòng)影響的消除
實(shí)驗(yàn)將參考?xì)馐业某鰵饪谂c大氣相通，使測(cè)量氣室和參考?xì)馐覊毫ο嗤藭r(shí)膜片壓差為0，即 p = 0 ，光纖處于平直狀態(tài)，可認(rèn)為無微彎損耗。先用光纖功率計(jì)測(cè)量傳感光纖輸出端的光功率，此時(shí)測(cè)量到的光功率即為L(zhǎng)D光源入射到傳感光纖扣除光路損耗后的光功率 Φ0 。然后，用同一臺(tái)光纖功率計(jì)測(cè)量參考光纖輸出端的光功率，通過調(diào)節(jié)光衰減器使參考光纖輸出端的光功率也為 Φ0 ，這樣在任何時(shí)候測(cè)量氣壓時(shí)都能從參考光纖獲得 Φ0 ，基本可排除光路損耗和光源不穩(wěn)定的影響。在不同壓差條件下(在參考?xì)馐覛鈮簽? MPa條件下，通過真空泵抽氣改變測(cè)量氣室的壓力)，實(shí)驗(yàn)通過改變LD驅(qū)動(dòng)電流使入射到傳感光纖的光功率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，分別測(cè)量傳感光纖和參考光纖輸出端的光功率 Φp 和 Φ0 ，并計(jì)算微彎損耗系數(shù) αm = -10 lg(Φp /Φ0)，測(cè)量結(jié)果見表1。可見，當(dāng)壓差為0.04 MPa時(shí)，在光源光功率變化0.2 mW(光功率波動(dòng)約 ±15% )情況下，用光功率計(jì)測(cè)量的光纖微彎損耗系數(shù)為2.09 dB~2.19 dB，約波動(dòng) ±2.5% ，當(dāng)壓力為0.08 MPa時(shí)，光纖微彎損耗系數(shù)為5.13 dB~5.28 dB，約波動(dòng) ±1.5% ，可見光源波動(dòng)的影響得到明顯的改善。
3.2 測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定
當(dāng)采用2個(gè)光電探測(cè)器PD1和PD2分別測(cè)量傳感光纖和參考光纖輸出端的光功率 Φp 和 Φ0 時(shí)，由于光電探測(cè)器信號(hào)經(jīng)放大器放大后的輸出電信號(hào)為電壓信號(hào)，需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。光電探測(cè)器檢測(cè)的光功率和輸出電壓的關(guān)系為
,這里 V1 和 V2 分別是光電探測(cè)器PD1和PD2的輸出電壓；S1 、S2 是光探測(cè)器積分靈敏度；K1 、K2 是放大器增益；C1 和 C2 為定標(biāo)常數(shù)。
定標(biāo)常數(shù)的確定與3.1節(jié)確定 Φ0 的方法相同，首先用光功率計(jì)測(cè)量方法將光衰減器固定，使 p = 0 時(shí)傳感光纖和參考光纖輸出端的光功率相等，再將光電探測(cè)器PD1和PD2連接到傳感光纖和參考光纖輸出端，此時(shí)應(yīng)有
，以參考光纖輸出電壓為參考，令C2=1，可得
。
根據(jù)αm= -10lg(Φp /Φ0)，則有
(6)式說明，光纖微彎損耗的測(cè)量只需測(cè)量無壓力(無微彎)時(shí)傳感光纖和參考光纖的光電探測(cè)器輸出電壓 V10和 V20 ，以及有壓力時(shí)傳感光纖和參考光纖的光電探測(cè)器輸出電壓 V1 和 V2 ，而與探測(cè)器靈敏度等參數(shù)無關(guān)。
3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定后，采用如圖4所示測(cè)量裝置實(shí)際測(cè)量了不同氣壓下的PD1和PD2的輸出電壓值，并計(jì)算光纖微彎氣壓傳感器氣壓測(cè)量靈敏度系數(shù)。
當(dāng)壓差 p = 0 時(shí)，光纖微彎衰減為0，測(cè)得PD1輸出電壓為 V10 = 205 mV ，PD2輸出電壓為 V20 = 232 mV 。用真空泵將氣壓傳感器膜片下方的參考?xì)馐页槌烧婵眨儆谜婵毡贸闅廪k法改變氣壓傳感器膜片上方測(cè)量氣室的氣壓值，模擬高空氣壓變化。得到測(cè)量氣室和參考?xì)馐业臍鈮翰?nbsp;p ，PD1輸出電壓測(cè)量曲線如圖5所示，由于光源在測(cè)量期間沒有波動(dòng)，PD2輸出電壓為 V2 = 232 mV 基本不變，即 V2 = V20 ，代入(6)式并作泰勒展開(只保留線性項(xiàng))可得
將(7)式代入(5)式即為
式中 G = 47.2η 為傳感器氣壓測(cè)量靈敏度系數(shù)。由圖5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知當(dāng) p = 0.04 MPa 時(shí)，V1 = 125 mV ，可得靈敏度系數(shù) G = 2000 mV/MPa，若測(cè)量系統(tǒng)電壓分辨率為1 mV[8 bit模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換精度]，則氣壓分辨率可達(dá)5 × 10-4 MPa 。圖5曲線同時(shí)顯示4次測(cè)量結(jié)果，具有良好的測(cè)量重復(fù)性。
4 結(jié) 論
提出了一種利用梯形彈簧的壓力非線性特性補(bǔ)償光纖微彎傳感器非線性的方法，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)方便、成本低的光纖氣壓傳感器。并采用差動(dòng)檢測(cè)的方法克服了強(qiáng)度型光纖傳感器的光路損耗不穩(wěn)定問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量結(jié)果只與傳感光纖和參考光纖的光電探測(cè)器輸出電壓有關(guān)，而與光源波動(dòng)、探測(cè)器靈敏度、光路損耗等參數(shù)無關(guān)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了光纖氣壓傳感器的電壓-壓力響應(yīng)曲線，結(jié)果說明傳感器具有較好的線性響應(yīng)特性，得到氣壓測(cè)量靈敏度系數(shù) G = 2000 mV/MPa，能夠滿足氣象及飛行器高度監(jiān)測(cè)中對(duì)氣壓測(cè)量的要求。
參 考 文 獻(xiàn)
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