BOTDA光纖傳感技術(shù)在光纖環(huán)圈質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用

韓正英，高業(yè)勝，趙 耀

引言

光纖環(huán)圈是光纖陀螺的敏感核心元件，其繞制工藝和質(zhì)量直接決定了光纖陀螺的傳感精度和性能。因此對(duì)光纖環(huán)圈性能的評(píng)價(jià)和改進(jìn)對(duì)研制高精度光纖陀螺有著重要意義。正是由于光纖環(huán)圈性能影響甚至制約了光纖陀螺的精度，國(guó)內(nèi)外光纖陀螺研制和生產(chǎn)廠家均對(duì)光纖環(huán)圈的性能進(jìn)行測(cè)試，并處于保密狀態(tài)。就目前已公開(kāi)的資料可知，在光纖環(huán)的生產(chǎn)測(cè)試中，在線評(píng)價(jià)其繞制質(zhì)量可以在生產(chǎn)出成品陀螺前有效地監(jiān)測(cè)和控制光纖環(huán)的繞制質(zhì)量，對(duì)于提高成品陀螺的精度和生產(chǎn)效率有著重大意義［1－5］。

光纖環(huán)圈性能下降的影響因素很多，大體可分為光纖本征因素（結(jié)構(gòu)缺陷、非線性效應(yīng)、克爾效應(yīng)等）和非本征因素（應(yīng)力和溫度梯度）［6－7］。這些均會(huì)引起光纖環(huán)互易性、偏振特性、插入損耗以及可靠性等性能的惡化，在光路中形成噪聲，對(duì)光波相位產(chǎn)生影響，最終降低光纖陀螺精度。因此在光纖環(huán)的繞制過(guò)程中和光纖成環(huán)后對(duì)光纖環(huán)圈的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。目前對(duì)光纖環(huán)圈質(zhì)量的評(píng)價(jià)僅限于檢測(cè)損耗、消光比等整體性技術(shù)指標(biāo)，無(wú)法得到光纖環(huán)圈內(nèi)部應(yīng)力分布和可能存在的缺陷等情況，無(wú)法直接監(jiān)控繞制過(guò)程對(duì)光纖性能的影響。對(duì)光纖環(huán)圈成環(huán)質(zhì)量的評(píng)估，較傳統(tǒng)的方法是利用布里淵光學(xué)時(shí)域反射計(jì)BOTDR（Brillouin optical time domain reflectometer）檢測(cè)光纖環(huán)的應(yīng)力分布［8－10］，但該方法空間分辨率（一般在 m級(jí)別）和傳感靈敏度較低，難以實(shí)現(xiàn)在線精確監(jiān)測(cè)光纖環(huán)質(zhì)量。此外近些年來(lái)天津大學(xué)姚曉天教授課題組采用偏振串?dāng)_分析的方法對(duì)光纖環(huán)的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估［11－12］，針對(duì)光纖環(huán)繞制過(guò)程中出現(xiàn)的串?dāng)_現(xiàn)象提出了相應(yīng)的解決方案。但該方法本底噪聲較大，不能直觀地描述光纖環(huán)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，難以對(duì)繞環(huán)工藝進(jìn)行改進(jìn)。

針對(duì)上述兩種方案的不足，提出采用基于BOTDA技術(shù)的光纖應(yīng)力分析儀對(duì)光纖環(huán)的應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)試。布里淵散射式光纖應(yīng)力分析儀空間分辨率和測(cè)試靈敏度都比較高，而且測(cè)量長(zhǎng)度滿足FOG光纖環(huán)要求，實(shí)現(xiàn)了光纖環(huán)的在線質(zhì)量檢測(cè)、光纖環(huán)分布式檢測(cè)以及熱應(yīng)力檢測(cè)。

1 BOTDA光纖傳感技術(shù)

BOTDA的測(cè)試原理是基于光在光纖傳輸過(guò)程中的布里淵散射效應(yīng)，由光纖中的光學(xué)光子與光纖中聲學(xué)聲子發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生的。布里淵散射過(guò)程可描述為泵浦波和斯托克斯波通過(guò)聲波進(jìn)行的非線性相互作用，泵浦波通過(guò)電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生聲波引起介質(zhì)折射率的周期性調(diào)制，后向散射光產(chǎn)生多普勒頻移。設(shè)入射光頻率υ0，布里淵頻移υB滿足關(guān)系式：式

中υA為光纖材質(zhì)的聲速，受熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)的調(diào)制，可描述為溫度T和應(yīng)變?chǔ)诺暮瘮?shù)，則布里淵頻移經(jīng)轉(zhuǎn)換運(yùn)算可表述為［13－14］

這樣布里淵頻移就變成了溫度和應(yīng)變的函數(shù)，研究表明布里淵頻移與光纖的溫度和應(yīng)變成正比，可表示成：

布里淵頻移的變化量與應(yīng)變成線性關(guān)系，只要測(cè)得后向布里淵散射光的頻移差，就可得到光纖某點(diǎn)處的應(yīng)變大小，進(jìn)而了解整個(gè)光纖的受力情況。基于上述原理的BOTDA光纖傳感系統(tǒng)如圖1所示。分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)探測(cè)光注入光纖，當(dāng)泵浦光（頻率為υ1）和探測(cè)光（頻率為υ2）的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移υB相等時(shí)，在該區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)（受激布里淵散射），稱之為布里淵受激放大作用，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。監(jiān)測(cè)從光纖一端耦合出來(lái)的連續(xù)光功率，可以確定光纖各小區(qū)間上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)的頻率差，從而得到溫度、應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)光纖的分布式測(cè)量。

圖1 BOTDA應(yīng)力分析儀原理示意圖Fig.1 Schematic of BOTDA strain analyzer

光纖環(huán)應(yīng)力分布測(cè)試平臺(tái)組成如圖2所示。主要有待測(cè)光纖環(huán)圈、光纖應(yīng)力分析儀、高低溫箱、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及配套光學(xué)器件等。光纖應(yīng)力分析儀由Neubrex公司生產(chǎn)提供?；竟δ苁峭ㄟ^(guò)預(yù)泵浦技術(shù)激發(fā)光纖材質(zhì)中光學(xué)聲子，后向探測(cè)器探測(cè)受激布里淵散射SBS譜線，進(jìn)行光纖環(huán)的布里淵散射頻率測(cè)試，完成光纖環(huán)的應(yīng)力分布測(cè)試。

圖2 基于BOTDA的光纖環(huán)應(yīng)力分布測(cè)試平臺(tái)Fig.2 Strain distribution test platform of fiber coil based on BOTDA

2 光纖環(huán)圈應(yīng)力分布測(cè)試

根據(jù)光纖應(yīng)力分析儀的原理，BOTDA光纖應(yīng)力分析儀測(cè)試功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）對(duì)光纖環(huán)圈質(zhì)量進(jìn)行在線檢測(cè)，避免繞環(huán)機(jī)繞環(huán)張力施加的不均勻；

2）對(duì)成環(huán)后光纖環(huán)圈的熱應(yīng)力性能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證光纖環(huán)圈的溫度性能；

3）對(duì)光纖環(huán)骨架對(duì)光纖應(yīng)力分布的影響進(jìn)行測(cè)試，為光纖陀螺后期的骨架材料篩選提供直觀可靠的數(shù)據(jù)。

2.1 光纖環(huán)在線檢測(cè)

光纖環(huán)的繞制過(guò)程中需要確保繞制后環(huán)圈光學(xué)性能穩(wěn)定，因此對(duì)光纖環(huán)固有缺陷的檢測(cè)和繞制張力的在線監(jiān)控是極其必要的。此外，光纖環(huán)采用特殊的繞制工藝來(lái)消除shupe效應(yīng)，需要保證環(huán)圈在繞制過(guò)程中關(guān)于光程中點(diǎn)對(duì)稱。因此光纖環(huán)的在線檢測(cè)主要包括光纖環(huán)圈的繞制對(duì)稱性檢測(cè)、光纖環(huán)固有缺陷檢測(cè)及繞制張力檢測(cè)3個(gè)方面。

在保偏光纖環(huán)的繞制過(guò)程中，如何控制作用于保偏光纖上的外力是個(gè)難題，到目前為止還不能實(shí)現(xiàn)零張力情況下繞制保偏光纖環(huán)，所以在繞制過(guò)程中要控制作用于保偏光纖上的張力，一般不宜過(guò)大，應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶詢?nèi)。采用基于BOTDA技術(shù)的光纖應(yīng)力分析儀，可以通過(guò)檢測(cè)光纖環(huán)的應(yīng)力分布來(lái)反映出繞制張力。如果施加應(yīng)力不均勻，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力尖峰現(xiàn)象。還可以通過(guò)檢測(cè)應(yīng)力分布曲線的整體分布，反映光纖環(huán)關(guān)于光程中點(diǎn)對(duì)稱分布情況及光纖固有缺陷的檢測(cè)。以此設(shè)定合理的繞制張力及后期工藝改進(jìn)。

如圖3所示，通過(guò)分析繞環(huán)過(guò)程可知，這些尖峰主要出現(xiàn)在換層點(diǎn)處，但并不是所有的換層點(diǎn)處都有尖峰產(chǎn)生，產(chǎn)生尖峰的換向點(diǎn)處應(yīng)力大小也不一定相同。這些奇點(diǎn)產(chǎn)生的原因主要是在換向點(diǎn)保偏光纖有微彎產(chǎn)生，這些應(yīng)力尖峰幅度大小有時(shí)還隨著溫度的不同而變化，這使得光纖環(huán)的結(jié)構(gòu)互易性變差，在陀螺上表現(xiàn)為陀螺零偏穩(wěn)定性變大；另外在繞環(huán)過(guò)程中由于人的干擾因素較大，出現(xiàn)較大尖峰也不排除人的因素。這些在換向時(shí)引入的應(yīng)力尖峰，造成了保偏光纖環(huán)在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生非互易性，從而對(duì)保偏光纖環(huán)的性能造成較大的影響，通過(guò)用陀螺實(shí)際驗(yàn)證會(huì)發(fā)現(xiàn)光纖陀螺零偏穩(wěn)定性差。為此需要對(duì)繞環(huán)工藝進(jìn)行控制，保證成環(huán)后光纖環(huán)應(yīng)力分布均勻、無(wú)應(yīng)力尖峰。此外，光纖環(huán)的應(yīng)力分布整體對(duì)稱性較好（如圖3、圖4所示），表明光纖環(huán)繞制過(guò)程中光程中點(diǎn)控制良好。應(yīng)力分布曲線末端有輕微上揚(yáng)的趨勢(shì)主要是泵浦光能量在傳輸過(guò)程中有所衰減，可以通過(guò)后期的理論補(bǔ)償進(jìn)行修正。

圖3 早期光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線上明顯的換層尖峰Fig.3 Apparent layer spike appearance of early fiber coil strain distribution

圖4 改進(jìn)繞環(huán)工藝后的光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線Fig.4 Strain distribution of fiber coil with circling process improvement

通過(guò)光纖環(huán)在線檢測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力尖峰及換層現(xiàn)象，對(duì)光纖重新退繞。經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)，重新繞制并改善了繞制質(zhì)量，如圖4所示，已沒(méi)有明顯的應(yīng)力尖峰現(xiàn)象。由圖3、圖4可知，通過(guò)對(duì)光纖環(huán)圈的應(yīng)力分布測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)繞環(huán)過(guò)程中的固有缺陷，通過(guò)及時(shí)的改進(jìn)繞環(huán)工藝和張力控制，能夠有效消除光纖環(huán)存在的換層和應(yīng)力尖峰效應(yīng)。

2.2 光纖環(huán)的熱應(yīng)力檢測(cè)

光纖成環(huán)后由于膠層、光纖和骨架的物理特性差異，由溫度變化引起的熱應(yīng)力會(huì)使光纖、骨架和膠層之間發(fā)生擠壓或收縮，從而造成光纖環(huán)性能的下降，最終影響陀螺的性能。因此，在光纖環(huán)成環(huán)后需要對(duì)光纖環(huán)的熱應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。文章模擬陀螺性能測(cè)試環(huán)境，設(shè)計(jì)溫度激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)－40℃～60℃溫度范圍內(nèi)的光纖環(huán)進(jìn)行熱應(yīng)力檢測(cè)，整個(gè)溫度激勵(lì)曲線如圖5所示。測(cè)試不同環(huán)境溫度下光纖環(huán)的應(yīng)力分布。根據(jù)應(yīng)力分布曲線的變化對(duì)整個(gè)光纖環(huán)圈的溫度特性做出相應(yīng)的評(píng)估。設(shè)定變溫速率為2℃／min，溫度激勵(lì)方程為

圖5 溫箱溫度激勵(lì)曲線圖Fig.5 Temperature excitation graph of incubator

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示：常溫下（20°時(shí)）光纖環(huán)的應(yīng)力分布曲線較為平坦，隨著溫度上升到60°，光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)“V”字型。當(dāng)溫度下降到－40°時(shí)，應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)“Λ”字型。這是由于當(dāng)溫度上升時(shí)，膠層和光纖之間相對(duì)膨脹，物理意義上對(duì)光纖產(chǎn)生拉伸，反映在圖中就是應(yīng)力分布曲線整體抬升。當(dāng)溫度下降，膠層和光纖之間相對(duì)收縮，導(dǎo)致光纖之間相對(duì)收縮拉緊，應(yīng)力分布曲線整體下降。此外，光纖環(huán)圈外層最先感知溫度的變化，里層也即光學(xué)中點(diǎn)處是最后感知溫度變化，反映在應(yīng)力曲線上就是當(dāng)溫度上升時(shí)，兩端的應(yīng)變首先感知溫度場(chǎng)的變化，應(yīng)力上揚(yáng)，整體應(yīng)力分布呈現(xiàn)“V”字型。當(dāng)溫度下降時(shí)，光纖環(huán)兩端應(yīng)力下滑，整體應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)“Λ”字型。由環(huán)境溫度變化造成光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線變化的不一致會(huì)造成光纖環(huán)非互易性變差，給后期陀螺零偏的理論補(bǔ)償帶來(lái)難度。

圖6 早期光纖環(huán)的熱應(yīng)力測(cè)試曲線Fig.6 Early thermal strain distribution of fiber coil

為了減少由溫度引起的熱應(yīng)力對(duì)光纖環(huán)性能的影響，項(xiàng)目中通過(guò)對(duì)固膠工藝的改進(jìn)和溫度控制，重新繞制光纖環(huán)圈進(jìn)行熱應(yīng)力檢測(cè)。結(jié)果如圖7所示，光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線隨溫度的變化整體抬升或下降，消除了早期光纖環(huán)中應(yīng)力分布曲線隨溫度變化而出現(xiàn)的“V”字型現(xiàn)象。

圖7 改進(jìn)工藝后下光纖環(huán)的熱應(yīng)測(cè)試曲線Fig.7 Thermal strain distribution of fiber coil with circling process improvement

此外，光纖陀螺光纖環(huán)繞制中采用了特殊的四級(jí)對(duì)稱繞法，要求光纖環(huán)沿光學(xué)中點(diǎn)對(duì)稱分布。因此在光纖環(huán)的熱應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中，既要分析溫度變化造成應(yīng)力分布曲線的變化，也要分析不同溫度下應(yīng)力分布的對(duì)稱性。以圖7為例，常溫狀態(tài)下光纖環(huán)的整體應(yīng)力分布曲線整體對(duì)稱，互易性較好。隨著溫度的變化，各換層間的應(yīng)力變化較大，但也整體關(guān)于光學(xué)中點(diǎn)對(duì)稱，整個(gè)溫度變化過(guò)程中光纖環(huán)的應(yīng)力分布曲線整體對(duì)稱，說(shuō)明光纖環(huán)的熱應(yīng)力性能較為良好。通過(guò)對(duì)光纖環(huán)熱應(yīng)力分布的測(cè)試，能夠?qū)φ麄€(gè)光纖環(huán)圈的溫度性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，也能對(duì)后續(xù)膠層的性能進(jìn)行定性分析。

2.3 光纖骨架對(duì)光纖環(huán)應(yīng)力分布的影響

實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)光纖骨架對(duì)光纖環(huán)應(yīng)力分布造成的影響進(jìn)行測(cè)試。采用國(guó)內(nèi)某知名保偏光纖生產(chǎn)廠家繞制的有骨架、無(wú)骨架光纖環(huán)圈進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中共設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)，在高低溫環(huán)境下對(duì)有、無(wú)骨架結(jié)構(gòu)的光纖環(huán)圈的應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示，圖8是無(wú)骨架光纖環(huán)圈在不同溫度情況下的應(yīng)力分布狀況，圖9是無(wú)骨架光纖環(huán)圈在不同溫度情況下的應(yīng)力分布狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論有無(wú)骨架，光纖環(huán)應(yīng)力曲線均對(duì)稱均勻分布，無(wú)大的應(yīng)力尖峰和換層現(xiàn)象。其中無(wú)骨架結(jié)構(gòu)的光纖環(huán)應(yīng)力分布對(duì)稱性更好，隨著溫度的變化，應(yīng)力分布曲線形狀相對(duì)穩(wěn)定。這是由于光纖骨架一般由鋁制品制作而成，和光纖的膨脹系數(shù)不一致。在高低溫實(shí)驗(yàn)中，存在“剛－柔－剛”轉(zhuǎn)換效應(yīng)，額外增填了骨架的不確定因素，造成光纖環(huán)乃至整體陀螺性能的下降。但在具體使用中，有骨架光纖陀螺的防震性更好，需要對(duì)陀螺的整體性能進(jìn)行全盤(pán)考慮。對(duì)光纖環(huán)骨架材料和有無(wú)骨架的選擇，需要更具體詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)來(lái)分析驗(yàn)證，針對(duì)不同測(cè)試環(huán)境要求區(qū)別對(duì)待。

圖8 無(wú)骨架光纖環(huán)應(yīng)力分布測(cè)試Fig.8 Strain distribution test of fiber coil with skeleton structure

圖9 有骨架光纖環(huán)應(yīng)力分布測(cè)試Fig.9 Strain distribution test of fiber coil with skeleton－free structure

3 結(jié)論

文章提出了采用BOTDA光纖傳感技術(shù)對(duì)光纖環(huán)圈的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估的方法，對(duì)影響光纖環(huán)圈質(zhì)量的應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于BOTDA的光纖傳感技術(shù)能有效地檢測(cè)整體光纖環(huán)的應(yīng)力分布，及時(shí)發(fā)現(xiàn)光纖應(yīng)力尖峰和光纖換層現(xiàn)象，了解有無(wú)骨架和熱應(yīng)力作用對(duì)光纖環(huán)性能的影響。在消除光纖應(yīng)力尖峰、對(duì)成環(huán)后光纖環(huán)圈的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估有著重要的意義。

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