光子晶體光纖壓力傳感器穩(wěn)定性研究

式（ 7） 表明， PCF 壓力傳感器系統(tǒng)光源波長(zhǎng)的波動(dòng)會(huì)影響傳感器對(duì)外界壓力的測(cè)量， 使傳感器的測(cè)量值具有不穩(wěn)定性。在PCF 壓力傳感器探測(cè)信道中，由傳感器部分引入的光脈沖光程差可以被石英板引入的光程差補(bǔ)償時(shí)， 在探測(cè)信道才能檢測(cè)出光信號(hào)強(qiáng)度的明顯變化， 則傳感器探測(cè)信道記錄的強(qiáng)度可表示為：

式中， I 0 為探測(cè)器監(jiān)測(cè)到的平均強(qiáng)度； γ是與光源光譜相關(guān)的函數(shù)； △Os 為傳感器系統(tǒng)引入的光程差；△Or 為石英延遲板補(bǔ)償?shù)墓獬滩睿?△φs 為傳感器系統(tǒng)引入的相位漂移量；△φ r 為由石英板在連續(xù)信道中引入的相位漂移；△Os - △Or 表示解碼系統(tǒng)光程差非平衡量； △φs - △φr 表示解碼系統(tǒng)相位漂移非平衡值。式（ 8） 表明， PCF 壓力傳感器輸出信號(hào)與激光器光源的光譜寬度有關(guān)， 受？？函數(shù)影響， 激光器光源的光譜形狀影響PCF 壓力傳感器信號(hào)測(cè)量的穩(wěn)定性。

在PCF 壓力傳感器中， 光源光強(qiáng)的起伏會(huì)直接影響測(cè)量信號(hào)的大小， 激光器光源輸出脈沖功率的波動(dòng)會(huì)引起探測(cè)信道輸出信號(hào)的相位波動(dòng)， 必然帶來探測(cè)信道輸出電信號(hào)的波動(dòng)， 這樣也會(huì)影響到PCF 壓力傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。例如對(duì)于系統(tǒng)3 個(gè)不同探測(cè)信道， I 1、I 2 和I 3 是3 個(gè)信道光電探測(cè)器輸出電信號(hào)強(qiáng)度， 則解調(diào)后信號(hào)光相位波動(dòng)可表示為：

式中，a 2、a3 分別是I 2、I 3 兩個(gè)信道相對(duì)于第1 個(gè)信道I 1 的比值。式（ 9） 表明， 探測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)強(qiáng)度的波動(dòng)對(duì)傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有重要影響。

2. 2 環(huán)境溫度影響

如果PCF 壓力傳感器所處的外界環(huán)境溫度發(fā)生變化， 也會(huì)造成PCF 中傳播的光脈沖相位的改變， 這種相位波動(dòng)會(huì)使PCF 壓力傳感器不能精確檢測(cè)外界壓力， 對(duì)傳感器的穩(wěn)定性造成有害影響。溫度造成PCF 中傳播的光脈沖相位波動(dòng)主要有兩個(gè)方面： 熱致伸縮效應(yīng)和熱光效應(yīng)， 可表示為：

式中，β = dL / dT 是PCF 的熱膨脹系數(shù)； a= dn/ dT是PCF 的熱光系數(shù)；△ T 表示環(huán)境溫度改變量。假設(shè)光脈沖在1 064 nm 波長(zhǎng)附近，a = 1. 19 10- 5 K- 1,= 0. 55 10- 6 K- 1 , 取PCF 長(zhǎng)度L = 1 m,△ L =1 mm , n = 1. 450 2 , △T = 0. 1 K 。根據(jù)式（ 10） 可得到溫度所造成的相位波動(dòng)量為△φ= 3. 24。結(jié)果表明， 環(huán)境溫度的改變對(duì)PCF 壓力傳感器系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性的影響是非常大的。

3 結(jié)束語

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。

傳感器的穩(wěn)定性是PCF 壓力傳感器的關(guān)鍵， 對(duì)其實(shí)際應(yīng)用有重要影響。提高PCF 壓力傳感器工作環(huán)境溫度的恒定性， 增強(qiáng)傳感器工作激光光源波長(zhǎng)輸出功率的穩(wěn)定性， 都有助于實(shí)現(xiàn)PCF 壓力傳感器的性能穩(wěn)定。在PCF 壓力傳感器系統(tǒng)中， PCF 傳感元件是核心部件， 其穩(wěn)定性和可靠性在很大程度上決定了整個(gè)傳感器的穩(wěn)定性和可靠性， 而構(gòu)成PCF 壓力傳感器的所有材料， 如耦合器、光電探測(cè)器和放大電路等均應(yīng)有較好的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，且溫度系數(shù)必須相匹配， 以使整個(gè)系統(tǒng)處于線性工作范圍內(nèi)。