光子晶体光纤压力传感器稳定性研究

在应力作用下PCF 的光学特性会发生改变， 并导致PCF 纤芯有效折射率发生改变， 根据弹光理论， 这个改变量可表示如下：

式中， n0 为纤芯未受压力时的折射率； E 为杨氏模量；γ 为硅光纤泊松比； p 11、p 12 均为PCF 弹光系数。

PCF 的物理参数取值如下： n0 = 1. 47,γ = 0. 17,E = 7. 3 1010 Pa, p 11 = 0. 113, p 12 = 0. 252, 则可根据式（ 1） 和式（ 4） 计算特定压力作用下PCF 纤芯有效折射率的改变量。

在PCF压力传感器系统中， 敏感元件采用折射率引导型PCF, 根据光波导理论， 光脉冲在PCF 中传播距离L 后的相位延迟量为：

式中， L 为PCF 的长度； n为纤芯折射率分布； 为光波在光纤中的传播波长。在外界压力作用下， PCF中会产生应力， 由于应力作用， PCF 的长度、横截面结构及折射率分布将出现波动， 并引起相位延迟的波动， 可以在PCF传感器输出端采用特殊的装置检测出这种改变， 并进一步检测出外界环境压力的改变， 这就是PCF 压力传感器的基本原理。

2 PCF 压力传感器系统组成及稳定性分析

根据PCF 压力传感器的基本原理， 我们提出如图2 所示的系统模型。图中， （ a） 为传感器整个系统； （ b） 为传感器的敏感元件， 它由导入光纤L1、传感元件L2 和导出光纤L3 组成； （ c） 为PCF 压力传感器的信号探测系统， 它由若干探测信道组成， 每个探测信道包括分束器、延迟板、分析仪和光电探测器； （ d） 为信号处理单元， 它主要由放大电路、滤波器、模/ 数（ A/ D） 转换器及计算机系统组成。PCF压力传感器系统的光源可采用Nd3+ : YAG 固体激光器或光纤激光器， 其发出的激光信号经过耦合器进入传感器敏感元件PCF, PCF 压力传感器输出的光信号经过光电探测系统转换为电信号， 电信号经放大滤波后由计算机检测处理。

图2 PCF 压力传感器系统模型

对式（ 5） 进行微分， PCF 压力传感器激光光源发出的光脉冲经过敏感元件后其相位波动可表示为：

式（ 6） 表明， 对传感器传播光脉冲相位产生影响的主要因素有激光光源波长的波动、敏感元件PCF 折射率和长度的波动。如果在PCF 压力传感器系统中存在压力以外的其他因素引起传播脉冲相位波动， 则这些因素会对整个传感器系统的稳定性造成影响。下面主要从传感器激光光源和环境温度两个方面进行理论分析。

2. 1激光光源影响

对于固体激光器或光纤激光器光源， 其输出脉冲都有一定的光谱范围， 都会在中心波长附近波动，这个波长波动会导致脉冲相位差的波动， 根据式（ 6） , 这个波动可表示为：