0 引言

　　光纤传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高和易于复用形成分布式测量等优点，广泛应用于桥梁建筑、管道泄漏和深水隔水管等工程项目中测量应力、应变等物理量[1-3]。研究人员提出了多种类型的光纤应力传感器[4-11]，如武汉理工大学王洪海等人[10]提出一种基于单模-多模-单模拉锥结构的光纤布喇格光栅传感器，该传感器对应变的测量范围为0~960 με；MARTA S等人[11]提出一种基于法布里-珀罗的应变传感器，腔体由在2段标准的单模光纤之间拼接1个新的高级硅管而形成，该传感器测量的最大应变量程为2500 με。但是，这些传感器通常采用普通高斯光源，并且受结构本身的限制，无法测量很大的应变。

　　近年来，随着涡旋光的不断发展，有学者提出了基于涡旋光的光纤传感器。研究人员根据涡旋光与高斯光干涉图样的螺旋特征和叉状特征，提出了几种不同类型的干涉型光纤传感器。CHEN L X等人[12]提出了一种基于涡旋光与高斯球面波干涉的新型应变传感方法，通过数字图像处理技术识别由应变引起的螺旋图像的旋转角度，理论上可实现高分辨率的应变测量，但没有开展实验研究。LV R等人[13]提出了一种基于涡旋光束与平面波光束干涉的光纤应力传感器，采用主成分分析（PCA）法提取了干涉图样集的2个主要特征，并根据不同相位差对应的干涉图样相关系数组的变化规律，实现解调过程，但该解调过程复杂，且应力测量量程小。本文在理论分析的基础上提出一种基于涡旋光束与平面波光束干涉的光纤马赫-曾德尔干涉型（MZI）应力传感系统，并设计一种新型的应力解调模型，在减少计算量的同时进一步增大测量量程。

4 结束语

　　本文设计了一种基于涡旋光束与平面波光束干涉的应力传感系统，并提出了一种新型的应力解调模型，通过仿真和实验验证了该传感器实现大量程监测的可行性。实验中搭建了基于涡旋光的干涉型传感系统，采集不同应力对应的叉状干涉图，采用PCA法提取叉状干涉图像的主要特征，分析得到了应力与图像的相关系数呈周期性的三角函数分布；通过进一步的解调计算，又得到与应力相关的线性关系。实验结果表明：该传感系统的灵敏度为0.257 rad/MPa，最大测量量程为3392 με；除了应力/应变外，其它能够改变MZI中相位延迟参数的物理量也可以用此方法测量。