光纤干涉法实现冰层内部压力测量

杨义,杨玲珍,张丽

(太原理工大学物理与光电工程学院,山西太原030024)

光纤干涉法实现冰层内部压力测量

杨义,杨玲珍,张丽

(太原理工大学物理与光电工程学院,山西太原030024)

基于光的相干特性实现冰内部压力测量的光纤传感系统.系统以He-Ne激光器作为光源,利用光纤耦合器将光路分为两路,一路用于冰层内部压力测量,另一路作为参考.通过Matlab理论分析了冰层内部压力变化引起干涉条纹随光纤折射率的变化.通过实验观测输出端干涉条纹的变化,确定冰内部压力的变化情况,以期为寒区水文测报、水工设施的设计及冰凌灾害预防等领域提供新的冰情监测技术.

He-Ne激光器;干涉;压力传感器;冰情监测

冰冻现象是冬季常见的一种自然现象.目前,在我国内陆水电资源中,可供开发的水电大坝选址多位于高海拔的西北、西南高寒地区.这种情况,有一个亟待解决的问题就是冰冻对水电工程设备及堤坝的危害.例如,冰在升温过程中的膨胀力会使水工结构物,如桥墩、设备等受到挤压而损坏;当水位变化时,冻结在建筑物上的冰盖因水位上升或下降的作用可能对建筑物产生向上或向下的作用力,从而造成建筑物的损坏[1-5].因此,实现对水电工程中堤坝岸壁等的实时分布式检测,对于科学设计工程结构、合理利用建筑材料、延长该类工程的使用寿命具有十分重要的意义.而在外界寒冷潮湿等复杂的环境条件下,传统传感器往往不能满足需求.光纤传感技术是20世纪70年代后期迅速发展起来的一项新技术[6],其基本原理是利用物理或化学效应调制光纤的传输特性,引起光纤中光波的强度、相位、频率、偏振态等物理量的变化,通过测量这些物理量的变化反映出所测物体物理量变化情况.光纤传感器具有应用范围广、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、可曲挠、体积小、成本低等许多优点,因此,光纤传感器已经成为现代传感器的重要发展方向之一.其中干涉型光纤传感器一直是近年来的一个研究热点[7-12].本文基于光的干涉方法用于研究冰内部压力的变化.

1 原理

从He-Ne激光器(He-Ne laser)中发出的波长为632.8 nm的红光通过1∶1分路器后均分为两路光线.一路用冰覆盖,作为测量臂,另一路直接在光纤内传播,作为参考光束.两束光在光纤输出端输出后由屏幕接收(见图1).由于输出端两束光由分光而来,频率相同、振动方向相同、相位差恒定满足相干条件,因此屏上可以观察到干涉条纹.用CCD拍摄条纹并经过采集卡后可由电脑记录.当覆盖在测量臂光纤上的冰融化时,冰内压力变化会引起光纤折射率变化,进而使测量臂内光的相位变化,此时可观察到干涉条纹的移动,通过干涉条纹变化情况即可测量出压力变化的大小.

图1 实验装置Fig.1 The experimental setup

两列光波E1和E2在空间某点P处相遇,如图2所示.

图2 两列光波在空间的叠加Fig.2 Two columns of light waves superimposed on space

2 实验结果

基于Matlab模拟理论分析折射率变化与干涉条纹变化之间的关系.模拟时设定光的波长λ=632.8nm,光纤折射率n=1.456,折射率n的变化范围(1.456±0.000 05×k),k=0～15.由模拟结果可知当光纤折射率n增大时,干涉条纹从中心向外冒出;当光纤折射率n减小时,干涉条纹向中心收缩.其结果如图3所示.

图3 Matlab模拟干涉条纹变化Fig.3 The Matlab simulation of interference fringes

实验时测得输出端干涉条纹变化情况如图4所示,横轴为时间t,纵轴为干涉条纹变化ΔN,图中以条纹从中心向外冒出为正,从条纹向中心收缩为负.图4-a、图4-b分别为光纤覆冰融化过程和冰完全融化后干涉条纹变化量ΔN与时间t的对应关系.由图可知冰融化过程中对光纤的压力并不是持续不变的,而是随机变化的.通过比较可知,冰在融化过程中对光纤压力较大,因此条纹变化范围大,当冰完全融化为水后,由于水内压力及环境影响等因素,条纹近似均匀变化且范围较小.通过干涉条纹在冰和水内不同变化情况可以区分冰还是水覆盖光纤,且可根据(10)式计算出冰对光纤的压力.

图4 实测干涉条纹变化情况Fig.4 The change of interference fringes through experiment

3 小结

本文设计了一种基于干涉法的光纤测冰内压力传感器,其结构简单,且成本较低,容易实现.通过重复实验观察干涉条纹的变化情况可知,冰在融化过程中对光纤所施加的力并不是连续向同一个方向变化的,而是随机往复变化.当冰完全化为水后,由于水内压力及环境因素等影响,干涉条纹保持轻微往复变化,但幅度较小且比较均匀.根据光纤在不同介质(水和冰)中受力不同而产生的不同的干涉现象,此传感器可以用于冰情监测,若结合GPRS系统,可以对环境进行远程实时监测.

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（责任编辑：卢奇）

Measurement of inner ice pressure based on fiber interferometry

YANG Yi,YANG Lingzhen,ZHANG Li
(College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024，China)

Based on the coherence properties of light,the optical fiber sensing system which can detect the inner pressure of ice was described.He-Ne laser was used as the light source,and the light was divided into two parts for measurement and reference respectively.The interference fringes with the change of refractive index have carried numerically using the Matlab.The change of internal pressure with the interference fringes could observe by experiment.A new ice monitoring technology for the scientific investigation on the hydrological telemetry of cold regions,the design of hydraulic facilities and the prevention of ice disaster are provided.

He-Ne laser;interference;presser sensor;ice monitoring

TN248.2;TN247

：A

：1008-7516（2015）05-0048-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.05.011

2015-08-22

山西省科技攻关项目(20140313023-3)

杨义(1991-),男,河北新乐人,硕士生.主要从事光纤传感用于冰情检测方面研究.

杨玲珍(1973-),女,山西临汾人,博士,教授.主要从事光纤激光技术与应用等方面研究.