光子晶体光纤压力传感器稳定性研究

式（ 7） 表明， PCF压力传感器系统光源波长的波动会影响传感器对外界压力的测量， 使传感器的测量值具有不稳定性。在PCF压力传感器探测信道中，由传感器部分引入的光脉冲光程差可以被石英板引入的光程差补偿时， 在探测信道才能检测出光信号强度的明显变化， 则传感器探测信道记录的强度可表示为：

式中， I 0 为探测器监测到的平均强度； γ是与光源光谱相关的函数； △Os 为传感器系统引入的光程差；△Or 为石英延迟板补偿的光程差； △φs 为传感器系统引入的相位漂移量；△φ r 为由石英板在连续信道中引入的相位漂移；△Os - △Or 表示解码系统光程差非平衡量； △φs - △φr 表示解码系统相位漂移非平衡值。式（ 8） 表明， PCF 压力传感器输出信号与激光器光源的光谱宽度有关， 受？？函数影响， 激光器光源的光谱形状影响PCF 压力传感器信号测量的稳定性。

在PCF 压力传感器中， 光源光强的起伏会直接影响测量信号的大小， 激光器光源输出脉冲功率的波动会引起探测信道输出信号的相位波动， 必然带来探测信道输出电信号的波动， 这样也会影响到PCF 压力传感器系统的稳定性和测量精度。例如对于系统3 个不同探测信道， I 1、I 2 和I 3 是3 个信道光电探测器输出电信号强度， 则解调后信号光相位波动可表示为：

式中，a 2、a3 分别是I 2、I 3 两个信道相对于第1 个信道I 1 的比值。式（ 9） 表明， 探测系统输出信号强度的波动对传感器系统的稳定性也有重要影响。

2. 2 环境温度影响

如果PCF 压力传感器所处的外界环境温度发生变化， 也会造成PCF 中传播的光脉冲相位的改变， 这种相位波动会使PCF 压力传感器不能精确检测外界压力， 对传感器的稳定性造成有害影响。温度造成PCF 中传播的光脉冲相位波动主要有两个方面： 热致伸缩效应和热光效应， 可表示为：

式中，β = dL / dT 是PCF 的热膨胀系数； a= dn/ dT是PCF 的热光系数；△ T 表示环境温度改变量。假设光脉冲在1 064 nm 波长附近，a = 1. 19 10- 5 K- 1,= 0. 55 10- 6 K- 1 , 取PCF 长度L = 1 m,△ L =1 mm , n = 1. 450 2 , △T = 0. 1 K 。根据式（ 10） 可得到温度所造成的相位波动量为△φ= 3. 24。结果表明， 环境温度的改变对PCF 压力传感器系统的性能稳定性的影响是非常大的。

3 结束语

PCF 传感元件及其压力传感器具有优异的传感性能， 在智能材料结构领域具有广阔的应用前景。

传感器的稳定性是PCF 压力传感器的关键， 对其实际应用有重要影响。提高PCF 压力传感器工作环境温度的恒定性， 增强传感器工作激光光源波长输出功率的稳定性， 都有助于实现PCF 压力传感器的性能稳定。在PCF 压力传感器系统中， PCF 传感元件是核心部件， 其稳定性和可靠性在很大程度上决定了整个传感器的稳定性和可靠性， 而构成PCF 压力传感器的所有材料， 如耦合器、光电探测器和放大电路等均应有较好的光学、电学和力学长期稳定性，且温度系数必须相匹配， 以使整个系统处于线性工作范围内。