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)光源波長的波動會影響傳感器對外界壓力的測量， 使傳感器的測量值具有不穩(wěn)定性。在PCF 壓力傳感器探測信道中，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償時， 在探測信道才能檢測出光信號強度的明顯變化， 則傳感器探測信道記錄的強度可表示為：

式中， I 0 為探測器監(jiān)測到的平均強度； 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 壓力傳感器信號測量的穩(wěn)定性。

在PCF 壓力傳感器中， 光源光強的起伏會直接影響測量信號的大小， 激光器光源輸出脈沖功率的波動會引起探測信道輸出信號的相位波動， 必然帶來探測信道輸出電信號的波動， 這樣也會影響到PCF 壓力傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度。例如對于系統(tǒng)3 個不同探測信道， I 1、I 2 和I 3 是3 個信道光電探測器輸出電信號強度， 則解調(diào)后信號光相位波動可表示為：

式中，a 2、a3 分別是I 2、I 3 兩個信道相對于第1 個信道I 1 的比值。式（ 9） 表明， 探測系統(tǒng)輸出信號強度的波動對傳感器系統(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， 也會造成PCF 中傳播的光脈沖相位的改變， 這種相位波動會使PCF 壓力傳感器不能精確檢測外界壓力， 對傳感器的穩(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主要有兩個方面： 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 波長附近，a = 1. 19 10- 5 K- 1,= 0. 55 10- 6 K- 1 , 取PCF 長度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量為△φ= 3. 24。結(jié)果表明， 環(huán)境溫度的改變對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， 對其實際應(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， 增強傳感器工作激光光源波長輸出功率的穩(wěn)定性， 都有助于實現(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)長期穩(wěn)定性，且溫度系數(shù)必須相匹配， 以使整個系統(tǒng)處于線性工作范圍內(nèi)。