绞合式光纤形变传感器的研究及其应用

梁 建，孙晓红

(郑州大学信息工程学院，河南省激光与光电信息技术重点实验室，河南郑州 450052)



绞合式光纤形变传感器的研究及其应用

梁 建，孙晓红

(郑州大学信息工程学院，河南省激光与光电信息技术重点实验室，河南郑州 450052)

研究了绞合式光纤形变传感器的结构特征、传感特性和工作机理，并和其他种类的传感器做了比较，证明了该类型传感器的优越性。运用光纤的微弯损耗理论计算了该传感器的拉伸长度与光功率损耗的关系，通过检测出射光功率可以推断待测物的物理量变化。利用其特点，文中设计了一种能对微小形变进行实时监测的传感器，通过实验观察了传感器的输出量随着微小形变出现了有规律的变化。实验证明该传感器成功地监测了微小形变的变化规律并且不受其他设备的干扰和影响。

光纤；传感器；光功率；形变；损耗；监测

0 引言

光纤传感器相比于其他类型传感器具有灵敏度高、抗电磁波干扰、体积小、造价低廉以及可进行实时监测等优点[1]，现已广泛应用于光传感的各个领域。本文介绍了一种新型的绞合式光纤强度调制形变传感器，其结构简单，无需对光纤本身进行复杂的处理，也不需要额外的形变装置[2]，并且测量十分方便，可靠性高、实时性好、受外界干扰小，特别适合于一些重要的医疗设备中，尤其是对人体呼吸频率的测量和实时监测等方面是十分理想的光纤传感器。现有的大部分医疗设备中，大多数是电子类传感器[3]。这类传感器有其优点也有其缺点，尤其是在多设备同时测量人体参数的时候，不同设备之间互相干扰造成测量结果不精准。或者是在强核磁共振条件下，由于受强电磁场干扰，电子呼吸监测系统不能正常工作[4]。针对这些问题，本文提出了绞合式光纤传感器，它是一种纯光学传感器，不受电磁波的影响，能够替代其他类型传感器。

1 绞合式光纤形变传感器的结构和工作原理。

绞合式光纤形变强度调制传感器是用一根或多根多模光纤相互交叉缠绕在一起[2]，其结构示意图如图1所示。

图1 绞合式光纤结构

图中的每一个交叉节点用胶水粘贴在具有松紧性的绷带上，这样就可以给整个传感器固定一个初始状态。确定好初始状态之后，光纤一端为入射端，另一端为出射端。如果将绷带横向拉伸时，光纤的曲率就会发生变化，由于光纤的曲率发生变化，光纤的弯曲损耗也随即发生变化[5]，并且光纤损耗对光纤弯曲程度很敏感。即使光纤曲率有微小的变化，光在纤芯中传播的一部分能量就会由于光纤的弯曲损耗而发生变化[2]。造成微弯光纤中光能的损失的主要原因是纤芯最高阶传导模耦合到包层的辐射模衰减得过快[6]。依据耦合波的理论，光导纤维受到微弯时纤芯模能量就会和包层模能量相互转化[7]，这样就可以通过检测光纤出射端光功率的变化来测得待测参数的变化，从而实现传感器的目的[8]。

2 绞合式光纤形变传感器的微弯损耗理论计算

该传感器结构简单、测量方便、造价低廉、抗电磁干扰能力强[2]，非常适合应用于强电磁环境下测量人体呼吸频率的医疗设备。由于人体每一次呼吸，胸腔都会扩大和收缩，所以用这种光纤传感器缠绕在人的胸腔上可以精确地测量出人体呼吸的强度和频率。

在绞合处光纤曲率发生变化，其弯曲曲率方程为[9]

(1)

式中:ρ为光纤的弯曲曲率；L为每段弯曲周期的光纤长度；d为弯曲周期的每段螺距的长度；R为光纤半径。

根据光纤弯曲的几何关系可以推算出：

(2)

设d0为初始螺距，当有沿着轴距方向的应变ξ施加到光纤传感器上时，则此时螺距d的长度为

d=d0+ξ

(3)

由光纤的弯曲损耗理论计算可知[2]：

(4)

式中：r为光纤的纤芯半径；g为光纤的参数，设为一常数；Δ为光纤的相对折射率差值。

由上述式(1)～式(3)可以算出光纤的微弯损耗的大小α与应变ξ的对应关系为

(5)

根据式(4)用MATLAB仿真软件进行仿真。选取r=62.5 μm,R=125 μm规格的光纤；设定螺距为30 mm。可得光功率损耗与光纤传感器的轴向应变关系曲线如图(2)所示。从图2可以看到二者有非常好的线性关系，该模型是比较理想的传感器模型。

图2 理论模拟的传感曲线

3 实验结果与分析

该实验主要是基于绞合式光纤形变传感器的设计与实验测试。该传感系统主要包括光源设备、光学耦合设备、绞合光纤探针以及光能量指示仪。光源主要是负责光信号的供给；光学耦合装置用于将光源发出的光信号耦合进入到光纤内；在实验中选用的光能量指示仪为光功率计，用来对光纤出射端的光强强度进行实时监测。实验装置原理图如图3所示。

图3 实验装置原理图

传感器是用5根多模光纤绞合而成，设定螺距d=30 m，将缠绕好的绞合光纤粘贴在具有松紧性的绷带上。绷带固定在2个基座上，然后基座又固定在试验台上，这样是为了试验不受微扰影响。光纤束的两端分别接LED光源和光功率计[10]。光源是采用直流电源驱动的可见光LED发光二极管，用一个不透明的石英管将光源的光耦合到光纤束中；光纤束出射端是通过光功率计探头连接在一个高灵敏度的光功率计上。通过调整绷带的拉伸长度，绞合式光纤束受到的微弯损耗就会发生变化，光纤束的出射端的光功率就会随之发生变化，然后用光功率计测量光纤束的透射光功率。实验装置示意图如图4所示。

图4 实验装置示意图

实验步骤如下：

(1) 打开直流电源、光功率计，等待发光二极管稳定工作(即光功率计读数不再变化)。

(2) 待仪器稳定工作之后，旋转微调旋钮，使绷带随之拉伸。每5 mm计1个单位。

(3) 将得出的数据通过MATLAB仿真软件绘制成曲线关系图。观察图中接近线性部分的曲线，截取线性部分的数据。这一部分数据就是比较理想的传感曲线图。

测得的传感曲线如图5所示。从图5可以看到比较好的线性关系，传感器传感性能比较理想。

图5 实验测量的光纤输出功率随拉伸长度的变化

上述实验是为了测得该简易传感器的线性部分，得出该传感器的测量范围。下面对实验装置进行进一步的改装和应用。

该传感器的主体部分是绞合式光纤束，采用纯光路的光纤微弯损耗原理，因而无需担心其他电子设备对其的影响。利用该特点，可以将其运用到很多电子传感器不适宜运用的场合，例如测量人体呼吸或者脉搏跳动等。因为在很多医疗设备中，大多数传感器都是电子传感器，在一些情况下，这些电子传感器会互相干扰，或者不能同时工作。如果将这种纯光路的传感器运用到这些设备中，该类型传感器会有很好的市场前景。

将上述实验装置简单改装成一个模拟测量人体呼吸的频率和振幅的模拟装置。由于测量人体正常呼吸时，胸围在呼气和吸气之间会出现1～3 cm的差距，所以实验在该传感器的线性部分做1～3 cm的伸缩变化，并且做实验时频率要随着人体的呼吸频率。

将光功率计换作一个能显示波动频率和振幅的示波器，就组成了这次模拟实验的实验装置，如图6所示。

图6 实验装置示意图

实验步骤如下：

(1) 打开直流电源、光功率计，等待发光二极管稳定工作(即示波器上不出现波动信号时一条直线)。

(2) 随着人体呼吸的频率，将实验装置中的绷带拉伸至1～3 cm处。

(3) 观察示波器上显示的信号波形图。

图7为本次模拟实验测得的信号图(即模拟的人体呼吸频率和振幅)，从图7可以清晰直观地看出信号的频率和振幅。

图7 示波器显示图

本实验装置只是一个简单的实验用品，还不能实现真实的测量人体呼吸的参数，如果将其改进优化，还需要更进一步的研究。但该实验已凸显了绞合式光纤传感器的优越性，比如其是纯光路传感不受电磁场的干扰，造价低廉灵敏度高等。

4 结论

本文设计了一种绞合式光纤形变传感器，对其工作机理和传感特性进行了理论模拟和实验分析，并对该传感器的线性部分进行测量。并对其进行改装模拟了对人体的呼吸频率、振幅、均匀度的测量，用示波器显示了测量数值。由于该类传感器有其独特的优点，因而其在传感领域会有广阔的前景。

[1] 吴杰，薛玲玲.光纤传感器的研究进展.激光杂志，2007,28(5):4-5.

[2] 杨建良，查开德.一种新颖的强度调制型绞合式光纤应变传感器.自动化仪表，2003,21(3):19-21.

[3] 孙素梅，陈洪耀，易国盛.光纤传感器的基本原理及在医学上的应用.中国医学物理学杂志,2008,25(5):846-850.

[4] 张健.光学电流互感器的抗磁场干扰技术和数字化技术研究:[学位论文].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2008.

[5] BHATIA V,MURPHY K A.Recent development in optical-fiber-based extrinsic fabryperot interferometric strain sensing technology.Smart Mater.Struct,1995,24(4):246-251.

[6] 邢雪宁，张治辉，陈婷.光纤的弯曲损耗和微弯损耗及其利用.中国有线电视,2004(23):24-26.

[7] 查国智.绞合式光纤的微弯损耗机制及其应用研究.大理学院学报，2012(11):35-38.

[8] KNOWLES S F,JONES B E,PURDY S,et al.Multiple microbending optical-fiber sensors for measurement of fuel quantity in aircraft fule tanks.Sensiors and Actuators A,1998,68:320-323.

[9] 杨建良，郭照华，查开德.绞合式光纤应变传感器.力学学报,2001(33):284-288.

[10] 孟莉，孙晓红，李常青.微结构光纤传感器光纤探针灵敏度的分析:[学位论文].郑州：郑州大学，2013.

Research and Application of Twisted Optical Fiber Strain Sensor

LIANG Jian,SUN Xiao-hong

(School of Information Engineering,Zhengzhou University，Henan Key Laboratory of Laser and Opto-Electric Information Technology,Zhengzhou 450052,China)

The structural features,sensor characteristics and working mechanism of a twisted optical fiber strain sensor were studied.By comparing with other types of sensors,superiority of this type of sensor was proved.The correlation between the stretched length and the optical power loss was calculated using the microbending loss in optical fiber.The change of physical properties was inferred by detecting the emitted light power.Considering all these features,we designed a real-time sensor which can monitor the slight deformation.The regular change of the sensor output was observed in the experiment of a slight deformation of the sensor.It proves that the sensor successfully monitors the slight variation and without the interference and influence of other devices.

optical fiber;sensor;optical power;strain;loss;monitor

国家自然科学基金资助课题(11104251)

2014-03-06 收修改稿日期：2014-11-05

TP212

A

1002-1841(2015)04-0008-03

梁建(1988—)，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感器。E-mail:ljian1536@sina.com 孙晓红(1971—)，教授，博士，主要研究方向为光纤传感器。E-mail:iexhsun@zzu.edu.cn