使用光学相位询问技术和聚合物光纤进行应变感测

本技术说明旨在向集成商介绍光相位询问 (OPI) 技术，并基本了解传感解决方案如何与聚合物光纤 (POF) 一起使用。

原则

如果我们将调制信号耦合到 POF 中并使 POF 受到应变，信号将经历相移（图 1）。相移量与应变量成线性比例（图 3）。

通过将调制信号分成承受应变的测量光纤和未承受应变的参考光纤，然后通过相位比较器比较这两个信号，我们可以确定传感 POF 所承受的应变量。

工作点是参考光纤和传感光纤之间的 90° 相位差，相位比较器在线性区域工作。(图4)

POF特性

POF 由聚合物制成，具有相对较高的弹性。大多数 POF 可以拉伸超过 5% 并保持在弹性范围内（图 6）。

这转化为该技术的广泛潜在动态范围。纤维的大尺寸使其易于处理（图 5）。POF 被用于各种工业和汽车应用，并已证明其稳健性。除了其坚固的特性外，POF 还具有完整的 EMI/EMC 抗扰性。

如图 7 所示，POF 的弹性特性在相当大的温度范围内保持不变。

解决

测量的分辨率和灵敏度取决于调制频率和传感光纤的长度。通过改变调制频率或光纤长度，可以根据应用规格定制灵敏度和分辨率。

动力学

为了获得尽可能宽的动态范围，工作点被调整并校准到与图 9 中的中性线相对应的应变状态。

POF传感应用

仪器应变测量系统由耦合到传感 POF 的询问器单元组成（图 11）。POF分为两个功能组件；负责来回传输信号的传输组件和将POF机械耦合到被测量并检测应变的传感组件。

在图 12 所示的传感部分中，负责传递应变的部分是与应变方向对齐的部分。通过改变该部分的长度并增加传感光纤路径的数量，可以针对特定应用优化测量的灵敏度和分辨率。

从图 13 中可以看出，可以通过改变传感光纤的完整长度来改进灵敏度。

该系统受到有限功率预算的限制，因此给定硬件规格的光纤总长度（传输长度 + 传感长度）保持不变。

传感光纤长度会影响系统设置的灵敏度。集成商将受到传输长度等边界条件的限制。

温度补偿

通过将参考光纤纳入测量传感器垫中的桥状配置，我们可以实现测量的固有温度补偿。参考和传感 POF 将看到相同的温度。对于传输长度的引线光纤（在询问器和传感器垫之间），参考和传感光纤在一根电缆中一起运行，以补偿机械和温度引起的影响。图 15 显示了实现温度补偿的可能布局。其他配置也是可能的，其中参考保持浮动或处于替代模式配置中。

图 16 显示了用于测试的本征温度补偿的工作原理。通过将参考光纤与传感光纤放置在一起，我们能够在 -20 至 80°C 的非常大的温度范围内消除温度的影响。

概括

POF 的光学相位询问提供了一种易于处理和集成的光学应变传感解决方案。POF 的稳健性和灵活性是在恶劣环境或应用中显而易见的优势。光学相位询问原理为广泛的应用提供了温度补偿应变测量解决方案。