楊 帆，曾 珍，章令杰，周曉軍

(電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院 成都 610054)

應(yīng)變傳感在隧道、橋梁、大壩、滑坡、地面沉降等大型基礎(chǔ)設(shè)施和特殊地貌區(qū)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警中具有重要作用。傳統(tǒng)的電域應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)主要依靠應(yīng)變片或振弦式應(yīng)變傳感實(shí)現(xiàn)，其中應(yīng)變片在潮濕、腐蝕環(huán)境下易使零點(diǎn)發(fā)生漂移，并且易受電磁干擾的影響，不適用于長(zhǎng)期檢測(cè)；振弦式應(yīng)變傳感由于鋼弦絲處于張緊狀態(tài)易發(fā)生蠕變，因此也不利于長(zhǎng)期使用。

與傳統(tǒng)的電域應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、傳輸傳感一體化、耐高溫、耐腐蝕、耐潮濕、靈敏度高及體積小等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于易燃、易爆、易腐蝕、潮濕和強(qiáng)電磁干擾環(huán)境。近年來(lái)，研究人員提出了大量用于應(yīng)變傳感的光纖傳感方案，如光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, FBG)[1-2]、光纖長(zhǎng)周期光柵[3]、光學(xué)干涉法[4]、光纖布里淵散射及光纖拉曼散射[5]等。上述方案通常通過(guò)光譜分析儀(optical spectrum analyzer,OSA)來(lái)檢測(cè)光功率變化或波長(zhǎng)偏移，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感，但是由于OSA 的掃描速率和波長(zhǎng)分辨率有限，因此其解調(diào)速度和分辨率相對(duì)較差。

近年來(lái)，光電振蕩器(optoelectronic oscillator,OEO)在傳感、測(cè)量和檢測(cè)等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的關(guān)注[6-8]。在這些應(yīng)用中，首先將傳感參量的變化映射到OEO 輸出微波信號(hào)的頻率變化，再利用電頻譜分析儀(electronic spectrum analyzer, ESA)對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行頻率解調(diào)，可以極大地提高傳感系統(tǒng)的解調(diào)速度和分辨率。目前，基于OEO 的光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)通常利用FBG 作為傳感探頭，其基本原理為應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致FBG 諧振波長(zhǎng)的漂移，從而引起OEO 輸出微波頻率的變化[9-11]。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于雙頻OEO 的橫向應(yīng)變傳感系統(tǒng)，采用相移FBG(phase-shifted FBG, PS-FBG)作為傳感探頭，在其上施加橫向應(yīng)變，引入雙折射效應(yīng)，光波的兩個(gè)正交偏振分量形成兩個(gè)具有不同中心頻率的微波光子濾波器，從而使得OEO 產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的微波信號(hào)，其頻率差與施加在PS-FBG 上的橫向應(yīng)變呈線性映射關(guān)系，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其靈敏度和最小可檢測(cè)應(yīng)力分別為～9.73 GHz/(N/mm)和2.06×10-4N/mm。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于保偏光纖布拉格光柵Fabry Perot 濾波器的雙頻OEO，用于高靈敏度和高速軸向應(yīng)變傳感，實(shí)驗(yàn)測(cè)得軸向應(yīng)變靈敏度高達(dá)100.6 MHz/εμ。文獻(xiàn)[11]采用普通FBG 作為應(yīng)變傳感探頭，F(xiàn)BG 位于光源與OEO 環(huán)路之間，用于改變輸入OEO 環(huán)路的光波中心波長(zhǎng)，造成OEO 環(huán)路總延時(shí)的改變，從而改變OEO 輸出微波信號(hào)的頻率，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其靈敏度為58 Hz/εμ。

本文提出了一種利用普通單模光纖作為應(yīng)變傳感頭的結(jié)合OEO 高精度光纖軸向應(yīng)變傳感系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1a 為本文提出的結(jié)合OEO 的高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission, ASE)光源發(fā)出的寬譜光，經(jīng)過(guò)光學(xué)帶通濾波器(optical bandpass filter, OBPF)和偏振控制器(polarization controller, PC)后，在雙輸出馬赫曾德?tīng)栯姽鈴?qiáng)度調(diào)制器(dual-output Mach-Zehnder electro-optic intensity modulator, DOMZM)中被OEO 環(huán)路反饋的微波信號(hào)所調(diào)制，其中DOMZM 工作在線性偏置點(diǎn)。DOMZM 的兩路輸出信號(hào)分別通過(guò)具有不同長(zhǎng)度的傳感光纖1 和傳感光纖2，在50∶50 光耦合器處合路，構(gòu)成M-Z 干涉儀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬譜光信號(hào)的分割。寬譜光信號(hào)經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償光纖(dispersion compensation fiber,DCF)傳輸，不同波長(zhǎng)的信號(hào)獲得不同延時(shí)量，再由摻鉺光纖放大器(erbium doped fiber amplifier,EDFA)對(duì)光信號(hào)的功率進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器(photodetector, PD)形成無(wú)限抽頭延遲結(jié)構(gòu)的帶通微波光子濾波，實(shí)現(xiàn)OEO 的選模。產(chǎn)生的微波信號(hào)經(jīng)過(guò)電放大器(electrical amplifier, EA)放大后，經(jīng)過(guò)50∶50 電耦合器(electrical coupler, EC)輸出，一路信號(hào)反饋輸入至DOMZM 中構(gòu)成閉合振蕩回路，一路信號(hào)輸入至ESA 進(jìn)行信號(hào)頻率檢測(cè)。軸向應(yīng)變施加裝置如圖1b 所示，傳感光纖1 或傳感光纖2 的一端通過(guò)固定片進(jìn)行固定，另一端繞過(guò)滑輪通過(guò)懸吊砝碼施加軸向應(yīng)變。

圖1 結(jié)合OEO 高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)

OEO 的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)表達(dá)式為[12]：

式中， Dω為DCF 的總色散量(單位為ps2)； ωe為角頻率； υ為光波在光纖中的傳輸速度； ΔL為M-Z干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差； δω為寬譜光的帶寬。從式(1)可以看到，OEO 的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)是一個(gè)sinc 函數(shù)，具有帶通特性。當(dāng)ωe±ΔL/υDω=0時(shí)，F(xiàn)(ωe)達(dá)到最大值，峰值角頻率為：

當(dāng)OEO 環(huán)路的凈增益大于0 dB 時(shí)，起振頻率即為 fosc。從式(2)可以看到， fosc與 ΔL呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，若在傳感光纖1 或傳感光纖2 上施加軸向應(yīng)力改變 ΔL，則OEO 輸出的微波信號(hào)頻率發(fā)生變化，從而達(dá)到光纖軸向應(yīng)變傳感的目的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中，ASE 光源(Golight, ASE-C+L LIGHT SOURCE)輸出中心頻率為1 565 nm 的寬譜光，3 dB 帶寬為90 nm。OBPF(Santec, OTF-970)的中心頻率和帶寬分別設(shè)置為1 550 nm 和5 nm。DOMZM(EOSPACE, AX-1×2-0MVS-40-PFA-SFA)的3 dB 帶寬為20 GHz，半波電壓為3.4 V。傳感光纖1 和傳感光纖2 為普通單模光纖，無(wú)軸向應(yīng)力時(shí)，長(zhǎng)度差ΔL為2 cm。DCF 長(zhǎng)度和總色散分別為11.7 km和1 936.6 ps2。EA(Mini-Circuits, ZVA-213-S+)的3 dB帶寬為18 GHz，增益為26 dB。PD(Agilent, 11982A)的3 dB 帶寬為13 GHz，響應(yīng)度為300 V/W，飽和輸入光功率為10 dBm。EDFA(Amonics, AEDFAIL-23-B-FA)用以補(bǔ)償光鏈路中光功率損耗，保證OEO 腔內(nèi)凈增益能夠達(dá)到0 dB 以上實(shí)現(xiàn)起振。由式(2)計(jì)算得到 fosc理論值約為8.086 8 GHz。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測(cè)得的OEO 開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)如圖2 所示，其中心濾波頻率為8.078 4 GHz，頻率響應(yīng)曲線為sinc 函數(shù)，與理論分析一致。

圖2 OEO 開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

閉合OEO 回路，調(diào)節(jié)EDFA 增益使得腔內(nèi)凈增益大于0 dB，OEO 開(kāi)始振蕩，并輸出微波信號(hào)。將較長(zhǎng)的傳感光纖安裝于軸向應(yīng)變施加裝置上，光纖的自由端懸掛不同重量的砝碼用以施加軸向應(yīng)力，測(cè)量得到的OEO 輸出微波信號(hào)頻率如圖3 所示。由于 ΔL隨著軸向應(yīng)力的增大而增大，OEO 輸出微波信號(hào)的頻率也隨之增大。圖4 為OEO 輸出微波信號(hào)頻率與軸向應(yīng)變量(將砝碼重量換算成應(yīng)變值)的關(guān)系。由圖4 可知，微波信號(hào)頻率與應(yīng)變大小保持線性增長(zhǎng)關(guān)系，線性擬合曲線的斜率即傳感系統(tǒng)的靈敏度，其值為4.671 21×10-1GHz/με，線性度為0.998 95。將較短的傳感光纖安裝于應(yīng)變施加裝置上，并施加不同的軸向拉力，測(cè)量得到的OEO 輸出頻譜如圖5 所示。由于 ΔL隨著軸向應(yīng)變的增大而減小，OEO 輸出微波信號(hào)的頻率也隨之減小。圖6 為OEO 輸出微波信號(hào)頻率與軸向應(yīng)變量的關(guān)系，靈敏度為-4.483 88×10-4GHz/με，線性度為0.998 41。

圖3 較長(zhǎng)的傳感光纖施加不同軸向應(yīng)力時(shí)的OEO 輸出頻譜

圖4 較長(zhǎng)的傳感光纖施加不同軸向應(yīng)力時(shí)的OEO 輸出頻率

圖5 較短的傳感光纖施加不同軸向應(yīng)力時(shí)的OEO 輸出頻譜

圖6 較短的傳感光纖施加不同軸向應(yīng)力時(shí)的OEO 輸出頻率

微波光子濾波器的通帶覆蓋多個(gè)模式，因此光電振蕩器工作在多模狀態(tài)。但由于模式競(jìng)爭(zhēng)，功率最高的起振模式對(duì)應(yīng)的頻率為最靠近微波光子濾波器通帶峰值增益的頻率。因此，只要保持OEO 環(huán)路中除了傳感光纖以外的光鏈路(包括：延遲量和色散量等)以及環(huán)內(nèi)增益的穩(wěn)定，功率最高的起振模式頻率與軸向應(yīng)變大小就能保持良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié) 束 語(yǔ)

本文提出了一種利用普通單模光纖作為傳感頭的結(jié)合OEO 高精度光纖軸向應(yīng)變傳感系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該傳感系統(tǒng)利用ASE 光源、DOMZM和兩段長(zhǎng)度不一致的光纖構(gòu)成的M-Z 干涉儀，在OEO 腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)限抽頭延遲結(jié)構(gòu)的微波光子單通帶濾波進(jìn)行選模。當(dāng)M-Z 干涉儀任意一臂的光纖施加軸向應(yīng)變時(shí)，干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差發(fā)生變化，從而改變OEO 的輸出微波信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)軸向應(yīng)變與OEO 輸出微波信號(hào)頻率之間的線性映射，達(dá)到軸向應(yīng)變傳感的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)較長(zhǎng)的傳感光纖安裝于應(yīng)變施加裝置上時(shí)，傳感靈敏度為4.671 21×10-4GHz/με，線性度為0.998 95；當(dāng)較短的傳感光纖安裝于應(yīng)變裝置上，傳感靈敏度為-4.483 88×10-4GHz/με，線性度為0.998 41。該系統(tǒng)對(duì)軸向應(yīng)變傳感具有高靈敏度和高線性度，可應(yīng)用于建筑、邊坡、堤壩等的應(yīng)變檢測(cè)。