光纖法布里
--珀羅傳感技術(shù)及其工程應(yīng)用*

張 馳, 嚴珺凡, 施 斌, 王 興

(南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093)

0 引 言

近年來，隨著工程結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，對于工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測精度和范圍的要求也越來越高[1]。光纖傳感器具有高分辨率、耐高溫、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點，因此，將光纖應(yīng)變傳感器運用于工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測已成為近幾十年來各國學(xué)者研究的熱點，期間設(shè)計了許多不同類型的光纖傳感器，同時提高精度、分辨率和抗干擾能力也成為光纖傳感器的發(fā)展方向[2]。

從光信號調(diào)制方式角度分類[3，4]，光纖傳感器可分為光強調(diào)制型、波長調(diào)制型、相位(干涉)調(diào)制型及偏振調(diào)制型，其中，相位和偏振調(diào)制型傳感器精度較高。對于相位調(diào)制型光纖傳感器，環(huán)境應(yīng)變的作用可使光纖中傳輸光的相位發(fā)生變化,因此，干涉型光纖傳感器就是通過監(jiān)測輸出信號的相位變化來監(jiān)測材料結(jié)構(gòu)應(yīng)變的[5]。

光纖法布里—珀羅干涉儀(fiber F-P interferometer,FFPI)作為近年來研究和應(yīng)用較為廣泛的干涉型傳感器之一，有重要的發(fā)展空間和研究價值。本文在總結(jié)目前已有研發(fā)成果基礎(chǔ)上，詳細介紹了FFPI的工作原理、解調(diào)方法、實際應(yīng)用以及相關(guān)問題。

1 FFPI工作原理

在20世紀80年代，人們利用光纖制成了FFPI，利用光干涉原理來完成信號的檢測,可以精確測量小位移和細微的波長變化[2]。FFPI工作原理與傳統(tǒng)的FPI基本相同，都是基于波的干涉現(xiàn)象，如圖1所示，從反射鏡反射的光L1,L2,在輸出端產(chǎn)生干涉,干涉信號通過耦合器可由探測器檢測，并由解調(diào)儀分析輸出。當干涉腔腔長隨被測量改變而變化時，兩反射光的相位差發(fā)生變化，使光電探測器輸出的電信號產(chǎn)生變化。

由于光的波長、反射光幅度是固定的，只有腔長度d的變化才會使輸出信號強度產(chǎn)生改變。將被測對象連接到傳感器上，當產(chǎn)生應(yīng)變時，空腔長度d會改變，而空腔長度的變化，使反射光信號發(fā)生變化。通過分析解調(diào)光譜變化，可以獲得腔長的變化量，從而獲得應(yīng)變數(shù)值大小，而對于如何獲得改變后的腔長度則直接影響到FFPI測量的精度[6]。

圖1 光纖法布里—珀羅腔結(jié)構(gòu)

2 光纖法布里—珀羅(F-P)干涉腔腔長解調(diào)算法

外界應(yīng)變的改變可以使F-P腔長發(fā)生改變，通過對F-P干涉光譜的解調(diào)，可以獲得被測物理量的改變。因此,在FFPI系統(tǒng)中，腔長解調(diào)系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的重要組成部分。解調(diào)方法和解調(diào)儀的性能直接影響測量精度和系統(tǒng)的分辨率。

目前對光纖F-P傳感器腔長的解調(diào)方法主要包括強度解調(diào)方法和相位解調(diào)方法。強度解調(diào)法是F-P傳感器解調(diào)技術(shù)中結(jié)構(gòu)簡單，成本較低的一種方法[7]，其光源為單色光，外部應(yīng)變、溫度變化改變兩束相干光的光程差，進而引起干涉儀輸出光強的變化，因此，通過測量解調(diào)儀輸出光強的變化值，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的要素變化，就可以得到外部溫度、應(yīng)變變化的大小[8]。但此方法下光強受外界的干擾較大，同時不易排除其它因素的交叉影響，故此方法較難開展研究。

相位解調(diào)法是近年來研究較熱的一種腔長解調(diào)算法，與強度解調(diào)法不同的是，其光源為白色光，測量系統(tǒng)與光強無關(guān)，抗外界干擾能力相較強度解調(diào)法提高很多，因此，在實際應(yīng)用中相位解調(diào)法應(yīng)用較廣。但相位解調(diào)法也有缺點，由于采用波長分析技術(shù)，需要做頻譜分析[9]，因而它的動態(tài)響應(yīng)沒有光強法快，靈敏度也較低，因此，多年來很多學(xué)者在算法上進行了不少研究改進。

目前對F-P腔長相位解調(diào)方法已有很多，包括傅立葉變換方法、2個峰值波長解調(diào)、波長跟蹤方法、互相關(guān)算法和最小均方誤差(MMSE)為基礎(chǔ)的估計信號處理方法。然而所有這些方法都有缺點[10]:傅立葉變換方法和2個峰值波長解調(diào)方法分辨率通常不超過幾十納米；波長跟蹤方法分辨率可達0.03 nm，但不能進行絕對測量；基于互相關(guān)算法和基于MMSE的信號處理方法分辨率很高，同時都能夠進行絕對測量，但動態(tài)范圍小，被“模式跳躍”問題所限制。這些方法本身都不能夠同時進行絕對測量亞納米分辨率和大動態(tài)范圍。目前，一些新的解調(diào)方法還在不斷探索中。

3 應(yīng)變式FFPI類型及其應(yīng)用

在工程結(jié)構(gòu)中，應(yīng)變是一項重要的監(jiān)測指標。光纖應(yīng)變計可以通過鉆孔等方式植入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這樣將大幅提高傳感器與結(jié)構(gòu)應(yīng)變的同步性。在應(yīng)變監(jiān)測方面，按FFPI發(fā)展歷程，大致可分為本征型光纖F-P干涉儀(IFPI)和非本征型F-P干涉儀(EFPI)。

3.1 IFPI

1988年，Lee Chung E等人首次報道這種內(nèi)腔式F-P光纖傳感器[11]，傳統(tǒng)的IFPI是將兩端鍍反射膜的光纖與2根單模光纖焊接在一起制作而成，兩反射面間單模光纖為干涉腔。腔長的變化會引起待測信號的改變，用探測器接收待測信號或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電信號處理，通過腔長的變化量求出待測量的變化。由于光始終是在纖芯中傳輸,通過控制包層折射率，可以使光功率損耗很小,腔長理論上能做到很大,可以從100 μm～1 m。

在應(yīng)變測量方面，Valis T等人[12]于1990年在懸臂梁粘貼IFPI，同時粘貼了一個箔應(yīng)變計作為參考，對懸臂梁加載使其彎曲來產(chǎn)生應(yīng)變，通過計算IFPI反射光譜的條紋間距變化，得到反射光相位變化。實驗測量的范圍是從0～1 000×10-6，其結(jié)果表明：IFPI測得的相位變化與應(yīng)變計測得的應(yīng)變成近似線性關(guān)系。1996年，Kao T W等人[13]設(shè)計了一種IFPI新型應(yīng)變傳感器，將含有干涉儀部分的單模光纖的一端焊接到隔膜上，并在干涉儀至傳感器外殼間附加縱向應(yīng)力，使應(yīng)力與隔膜長度的變化形成對應(yīng)關(guān)系;2004年,Shen F等人在摻雜GeO2的光敏光纖中利用紫外線聚焦光束進行照射，形成低反射率和低功耗的F-P腔，其后提出用多模光纖代替反射腔鏡焊接在兩根單模光纖之間即可，構(gòu)建了一種新型低反射率的IFPI，大大簡化了IFPI的制作。Huang Zhengyu等人[14]將這種傳感器用于檢測懸臂梁的應(yīng)變，結(jié)果顯示應(yīng)變與腔長具有良好的線性關(guān)系。

由于對外界溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、振動交叉敏感，且IFPI由于由光纖本身構(gòu)成F-P腔,對各方向應(yīng)力的變化都比較敏感，需要不同的補償方法來消除相互之間的影響[15]，因此,其最主要的應(yīng)用在溫度傳感方面，在應(yīng)變監(jiān)測方面的IFPI實例較少。

3.2 EFPI

EFPI的F-P腔為空氣，沒有偏振態(tài)引起的信號漂移問題,橫向壓力產(chǎn)生軸向應(yīng)變的交叉影響也小，從結(jié)構(gòu)上天然具有溫度補償特性，溫度的影響并不敏感，因此,EFPI在應(yīng)變監(jiān)測上的靈敏度大于IFPI，具有極大的使用價值。

1991年，Murphy等人用環(huán)氧樹脂將將導(dǎo)入光纖和反射光纖固定于毛細管內(nèi)部，成功制作了EFPI。利用非本征型F-P傳感頭作為該傳感器的探頭，選取適當?shù)墓饫w類型，準毛細管材料減小溫度參數(shù)對應(yīng)變檢測結(jié)果的影響[16]，嚴格處于同一條直線的2個光纖端面間距有十幾至數(shù)百微米。當外界溫度、應(yīng)變等物理參量發(fā)生變化時，2個光纖端面間距即EFPI的腔長改變，通過從返回干涉光信號中解調(diào)出腔長信息即可實現(xiàn)相應(yīng)參量的傳感。

此后許多學(xué)者改進了傳感器的穩(wěn)定性和精度。2000年,韓國的Wang Anbo等人[17]采用激光熱熔技術(shù)將光纖與準直毛細管熔接在一起，制作了光纖EFPI，提高了傳感器的穩(wěn)定性。2007年，Aref S H等人[18]設(shè)計了一種新的機械壓力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使EFPI具有較低的溫度敏感性，同時可將液壓轉(zhuǎn)換為傳感器的縱向壓力并進行測量。江紹基等人通過對多光束干涉理論的分析推導(dǎo)，建立了EFPI模型，得到了白光條件下干涉型EFPI相位與應(yīng)變關(guān)系的理論計算公式。2002年，黃民雙等人[19]采用中空纖膜與SiO2膜片套圈粘結(jié)，使得傳感器的精度得到了提高;同時在端面上進行磨平拋光以及鍍多層電介質(zhì)膜處理后，提高了傳感器的信噪比，可以用于惡劣環(huán)境下的測量。大連理工大學(xué)于清旭教授及其試驗組對EFPI在高溫高壓下的長期穩(wěn)定性進行了研究總結(jié)，嘗試了多種方法提高其穩(wěn)定性，并成功用于遼河油田油氣井的長期壓力監(jiān)測。

3.3 其他基于FFPI的應(yīng)變傳感器

1997年，Rao Y J等人將光纖Bragg光柵(FBG)與F-P干涉腔結(jié)合，研制出一種針對大動態(tài)范圍，并具備高分辨率的靜態(tài)應(yīng)變測量傳感器[20]。利用FBG可以串聯(lián)復(fù)用的特點，傳感器能夠在應(yīng)變、溫度與振動同時存在的情況下進行多路數(shù)據(jù)測量，其光纖F-P干涉腔是由2個FBG組成,并利用干涉時的波長漂移檢測干涉信號條紋,獲得被測對象的絕對應(yīng)變。傳感器的核心部件由一個低相干干涉?zhèn)鞲衅髋cFBG傳感器構(gòu)成，其中低相干光纖傳感器可提供非常高的空間分辨率，而FBG提供準確的空間定位，使傳感器可以對應(yīng)變進行絕對測量。

采用FBG與F-P干涉腔傳感器特有的雙波長法則可解決單波長難以讀取的問題，通過2個有細微波長差光源之間的光相位差來確定干涉條紋的數(shù)目，同時能夠延長干涉?zhèn)鞲衅鞯臋z測范圍。在實際測量中，2個FBG中的一個不受應(yīng)變影響，它產(chǎn)生的波長漂移被用于溫度補償，從而使得該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變、溫度與振動的準分布式測定[21]。

2003年，Rao Y J及其課題組又提出了一種應(yīng)用LPFG/EFPI集成式光纖傳感器實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時測量方法，克服了傳感器信噪比較低的特點[22]，其中長周期光柵(LPFG)可用于溫度監(jiān)測，EFPI則用于應(yīng)變監(jiān)測，傳感器信號較強,信噪比較高。該課題組將LPFG/EFPI測得的應(yīng)變值與用標準應(yīng)變計測得的應(yīng)變值進行了比較，2組數(shù)據(jù)都有很好的線性關(guān)系，傳感器應(yīng)變測量精度達到±2×10-6。

4 FFPI感測技術(shù)在結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用

FFPI具有測量精度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已在工程結(jié)構(gòu)長期應(yīng)變監(jiān)測中取得較好效果。目前該類型傳感器已應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)、大型橋梁結(jié)構(gòu)、高溫測壓油井、高速公路、大壩和復(fù)合材料固化等結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測。

4.1 混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測

2001年，Ravisankar K等人[23]將封裝的FBG/EFPI黏貼于混凝土圓柱結(jié)構(gòu)，用來測量截面環(huán)向和徑向的應(yīng)變;2006年，Leng J S等人[24]做過類似試驗，選用不同的法蘭，并改進傳感器的封裝。試驗結(jié)果與應(yīng)變計所得數(shù)據(jù)比較，其誤差在5 %以內(nèi)，滿足工程要求。楊建春等人[25]于2006年將40個EFPI處理后植入到橋梁內(nèi)部，測量混凝土因環(huán)境溫度產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變，其結(jié)果同樣證實了F-P傳感器可應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，同時傳感器保持了較好的準確性和耐用性。2005年，王寧等人[26]利用FFPI成功對混凝土收縮應(yīng)變進行測量的基礎(chǔ)上，提出了通過FFPI進行混凝土彈性模量標定的方法，測試得到了彈性模量的標定曲線，其試驗結(jié)果與理論值基本相符。

FFPI具有防水耐腐蝕、對原有結(jié)構(gòu)影響較小的特點,因而非常適合用來監(jiān)測混凝土固化期的應(yīng)變。如果將多個FFPI埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部組成監(jiān)測網(wǎng),可以對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布狀況進行長期實時在線監(jiān)測,對整個混凝土結(jié)構(gòu)從養(yǎng)護期至使用期的安全監(jiān)測都具有十分明顯的應(yīng)用價值[27]。

4.2 橋梁結(jié)構(gòu)

在橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量中，電測法應(yīng)用比較廣泛。該法易受電磁干擾、存在漂移，精度較低等問題，難以用于結(jié)構(gòu)的長期實時監(jiān)測。光纖F-P應(yīng)變傳感器具有穩(wěn)定性好、精度高、體積小、抗干擾強等特點，在橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。

早期，Choquet等人將FFPI焊入橋梁內(nèi)部，其分辨率達到0.5×10-6，在三輛重型卡車勻速通過橋梁時應(yīng)變值為25×10-6；2003年，吳文江等人[28]將EFPI埋入應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁應(yīng)變監(jiān)測中,在施工現(xiàn)場對橋梁應(yīng)變進行連續(xù)跟蹤測試，其結(jié)果與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變計進行比較，證實了EFPI傳感器在應(yīng)變監(jiān)測方面的可行性，以及由環(huán)境溫度引起的傳感器相干光相位移在工程應(yīng)變監(jiān)測中可以忽略不計；夏威夷大學(xué)Fung等人將將傳感器安裝在夏威夷島大跨度橋鋼筋混凝土橋表面應(yīng)力集中部位，其測量范圍達1 000×10-6，壓應(yīng)變或拉應(yīng)變精確度為1×10-6，能夠在20 Hz振動條件下獲取各傳感器的應(yīng)變監(jiān)測值。

5 FFPI相關(guān)問題

現(xiàn)有FFPI具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，其應(yīng)變精度可達0.5×10-6，而且溫度漂移很小，理論上適合惡劣環(huán)境下工程結(jié)構(gòu)長期準確的應(yīng)變監(jiān)測。已有多名學(xué)者將FFPI應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)并取得較好結(jié)果，但是由于FFPI仍存在一些不足，沒有完全進入商業(yè)化，目前多用于航天航空結(jié)構(gòu)，軍事裝備方面的應(yīng)變測量。其不足主要表現(xiàn)在：

1)在制作加工方面，F(xiàn)FPI的工藝要求較高，如：光纖斷面反射鏡的加工、帶反射鏡處的光纖連接，以及不同段光纖的對準問題。近年來雖然已有很多文獻探索并研制了一些基于不同環(huán)境下的FFPI，但多數(shù)仍處于摸索階段，難以在加工技術(shù)上實現(xiàn)較大的突破。

2)在應(yīng)用方面，F(xiàn)FPI的安裝工藝相對要求較高，同時適用于施工現(xiàn)場工作的傳感器封裝和保護技術(shù)相對還不夠成熟。F-P光纖傳感頭比較脆弱，傳感頭會因施工過程的晃動、構(gòu)件之間的碰撞、安裝后的結(jié)構(gòu)振動作用導(dǎo)致疲勞磨損，其精確度和耐久性下降，達不到長期監(jiān)測的目的。另一方面，施工工程往往會對傳感器造成較大的沖擊，處理不當常常會損壞已經(jīng)埋入的FFPI，降低其成活率。

3)在價格方面，F(xiàn)-P傳感器成本較高，制作過程比較復(fù)雜，且FFPI仍是點式傳感器，多路復(fù)用技術(shù)相對不成熟，在工程監(jiān)測點較多的情況下，其監(jiān)測成本相對較高。

6 結(jié) 論

FFPI屬于新型準分布式傳感器，能夠進行絕對應(yīng)變的測量，適用于各種復(fù)雜環(huán)境,是現(xiàn)在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點。傳統(tǒng)測量手段在針對復(fù)雜應(yīng)變場、溫度場以及振動的測量中所暴露出的低同步、誤差大、耗時長的缺點，利用FFPI均可以得到改善。目前該傳感器仍處于試驗階段，在實際工程實踐中應(yīng)用的案例還較少，但是隨著技術(shù)的不斷進步，可以預(yù)見在不久的將來該類傳感器將有廣闊的應(yīng)用前景。

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