基于光子晶體光纖的在線壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)*

張 毅,莊 志,陳 穎

(中國工程物理研究院總體工程研究所,綿陽 621999)

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基于光子晶體光纖的在線壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)*

張 毅*,莊 志,陳 穎

(中國工程物理研究院總體工程研究所,綿陽 621999)

為了監(jiān)測(cè)緊湊結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部層間壓力,提出一種采用新型材料保偏光子晶體光纖為敏感單元的嵌入式壓力在線檢測(cè)技術(shù)。建立了傳感模型,采用Sagnac干涉技術(shù)組建檢測(cè)系統(tǒng),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,檢測(cè)系統(tǒng)輸出干涉峰值的移動(dòng)量與光纖橫向壓力成線性關(guān)系,傳感器可檢測(cè)壓力范圍為0～10 kN,壓力靈敏系數(shù)為0.441 4 nm/kN,傳感器精度2.6%,且能明顯觀測(cè)到光纖上方墊層材料的松弛效應(yīng)。試驗(yàn)驗(yàn)證敏感單元的重復(fù)性能良好,且溫度敏感系數(shù)僅為-11.8 pm/℃,使得該類傳感器具有良好的抗溫度干擾性及工程實(shí)際應(yīng)用性。

光纖壓力傳感器;光子晶體光纖;Sagnac干涉儀;在線監(jiān)測(cè);應(yīng)力松弛;低溫度敏感性

在兵器工程、航空航天領(lǐng)域,層間壓力是需要在線監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)之一,但是某些試驗(yàn)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分緊湊,使用傳統(tǒng)的壓力傳感器難以實(shí)現(xiàn)這類狹小空間內(nèi)的層間壓力測(cè)量,特別是在易燃易爆的場(chǎng)所,可靠的測(cè)試方式可以確保產(chǎn)品的安全性。相比普通傳感器,光纖傳感器具有尺寸小、高精度、本質(zhì)安全等優(yōu)越性能,在這類特殊的場(chǎng)合具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前光纖壓力傳感技術(shù)大部分研究都基于法布里珀羅干涉儀(FPI)或光纖光柵(FBG)式,兩者都能獲得光纖軸向壓力或應(yīng)力變化,但當(dāng)需要橫向壓力信息時(shí),一般要通過設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu),無疑很大程度上增加了探頭體積,且很難實(shí)現(xiàn)高精度或大壓力測(cè)量,為此我們研究了基于保偏光子晶體光纖的橫向壓力檢測(cè)技術(shù)[1-7]。保偏光子晶體光纖是近年來出現(xiàn)的一種新型材料,相比傳統(tǒng)保偏光纖具有更高的壓力敏感性,它的出現(xiàn)為傳統(tǒng)保偏光纖提供了一條嶄新的途徑,更加有利于提高測(cè)試精度。此外,由于這種光纖由純石英制成,溫度敏感性小,據(jù)報(bào)道高雙保偏光子晶體光纖的溫度敏感性僅0.05 pm/℃,此特性有利于提高測(cè)試系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性,這對(duì)傳感器的實(shí)際工程化應(yīng)用是非常有價(jià)值的[8-13]。因此,利用其溫度不敏感性及較大壓力敏感性的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的高精度傳感與檢測(cè),且無需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

1 傳感理論分析及檢測(cè)系統(tǒng)組建

采用Sagnac干涉技術(shù)組建多通道保偏光子晶體光纖壓力檢測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)組成主要由敏感單元、窄線寬光纖激光器、光耦合器、Sagnac干涉環(huán)、大帶寬同步探測(cè)器及計(jì)算機(jī)等部分組成,通過光開關(guān)擴(kuò)展測(cè)試通道,見圖1。激光器發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器,一路通過偏振控制器輸出給光子晶體光纖,另一路接收返回的光給探測(cè)器,由計(jì)算機(jī)記錄并分析Sagnac干涉環(huán)輸出光譜的特征峰值的波長偏移值,從而獲得施加在PM-PCF上的橫向壓力。

采用PM-PCF作為壓力敏感單元,其內(nèi)部是一種特殊的多孔結(jié)構(gòu),是由大小不一且按特定規(guī)則排列的氣孔組成,見圖2。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組建框圖

圖2 PM-PCF截面微觀結(jié)構(gòu)及受力圖

敏感單元傳感原理是,光束從兩個(gè)相反方向通過Sagnac環(huán),在沒有引入外界因素干擾時(shí),兩束光之間是固定相位差。但是當(dāng)敏感單元橫向受壓后,在光纖截面內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變,等效至x、y兩個(gè)主軸方向上,導(dǎo)致光纖中對(duì)應(yīng)方向折射率變化,其相位差將發(fā)生變化。透射干涉譜在相位差變化影響下,干涉谷值尖峰會(huì)向某一方向移動(dòng),通過尋找波長值移動(dòng)與壓力的關(guān)系,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量,其傳感機(jī)理見式(1),其干涉光譜圖見圖3。

(1)

式中:F為給光纖施加的橫向壓力、P為壓強(qiáng)、σ為光纖截面產(chǎn)生的應(yīng)力、ε為應(yīng)變、ΔB為雙折射率改變量、Δφ為相位變化、Δλ為透射干涉譜波長谷值移動(dòng)量。

圖3 干涉光譜圖

光波經(jīng)過Sagnac干涉儀后,在光纖中傳播距離L后,兩束相反方向傳播的光的干涉相位差可以用下式表示[14]:

(2)

式中:B為保偏光子晶體光纖的雙折射差。在受到外界壓力時(shí),式(2)中的雙折射大小以及光纖長度會(huì)改變,相位延遲波動(dòng)量由兩部分組成:

(3)

式中:ΔB表示雙折射的變化量,ΔL表示光纖在軸向方向上的長度變化,對(duì)于光子晶體光纖截面空氣孔結(jié)構(gòu),光波在被由空氣孔限制的纖芯內(nèi)傳播,纖芯處各向折射率的變化是產(chǎn)生雙折射變化的主要因素;壓力作用在敏感光纖上,致使軸向方向上的長度改變,光波在光纖中傳播的有效光程發(fā)生變化。

衡量靜壓力對(duì)光子晶體光纖的影響,由于作為敏感單元的光子晶體光纖在常溫常壓下處于無應(yīng)力的自然狀態(tài),纖芯處的附加應(yīng)力完全由外部靜壓力產(chǎn)生,靜壓力作用下因應(yīng)變產(chǎn)生的形變量較小,對(duì)纖芯傳播光相位影響可以忽略。

在光纖的內(nèi)部,3個(gè)主應(yīng)力方向上,應(yīng)力場(chǎng)改變了光纖的介電常數(shù)或折射率分布引起了光纖傳輸特性的變化,使介質(zhì)變?yōu)楦飨虍愋愿用黠@,產(chǎn)生了雙折射。各向應(yīng)力對(duì)材料折射率的影響服從以下公式

(4)

因此,可以求出雙折射差為:

ΔB=Δnx-Δny=(C1-C2)(σx-σy)

(5)

Sagnac環(huán)中正反兩束光經(jīng)過雙折射光纖后產(chǎn)生相位差,形成了干涉條紋,由于壓力導(dǎo)致的干涉光譜峰值偏移為:

(6)

式中:C1=-6.9×10-13m2/N、C2=-41.9×10-13m2/N是純石英材料的彈光系數(shù)其差值是常數(shù),由式(6)可見波長移動(dòng)量與x、y兩快慢軸的應(yīng)力差成正比關(guān)系,既Sagnac干涉環(huán)輸出干涉譜的特征峰值移動(dòng)量與光纖所受的橫向壓力值成正比關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析壓力與輸出干涉譜峰值偏移量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)驗(yàn)裝置見圖4,采用精度為0.5%的材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓力加載,材料試驗(yàn)機(jī)加載數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)壓力值與測(cè)試系統(tǒng)輸出光譜波長偏移量做比對(duì)。敏感單元為PM-PCF,安裝于材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的直徑80 mm的不銹鋼加載平面上。材料試驗(yàn)機(jī)力加載夾具可以微調(diào)加載平面姿態(tài),以確保壓力施加在敏感單元的法線上。分別進(jìn)行了裸光纖、單層墊層材料、上下雙層墊層材料的力加載試驗(yàn)。由于裸光纖在加載到150 N后波形變形,說明敏感單元開始破損,所以本文中介紹的是放置于面積為80 mm×50 mm×0.8 mm的高分子墊層材料下的PM-PCF受壓實(shí)驗(yàn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 壓力加載實(shí)驗(yàn)

設(shè)置材料實(shí)驗(yàn)機(jī)加載參數(shù),將壓力從0 kN逐漸升高到10 kN,步進(jìn)值500 N,將PM-PCF分x、y2個(gè)方向分別安裝后,記錄PM-PCF快慢軸輸出的波長峰值位移,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)曲線

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出PM-PCF兩軸的壓力敏感系數(shù)不同,求出慢軸的擬合曲線為y=0.441 4x+0.011 2,快軸的擬合曲線為y=-0.146 9x-0.033 1。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析出加墊層材料后傳感器的壓力敏感系數(shù)為0.4 nm/kN,量程10 kN,測(cè)量精度為2.6%,通過實(shí)驗(yàn)證明光子晶體光纖測(cè)量橫向壓力時(shí)具有良好的線性度、測(cè)量精度、靈敏度,并可進(jìn)行大量程壓力測(cè)量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出由于慢軸的敏感系數(shù)與壓力成正比且與壓力的敏感度高,而快軸敏感系數(shù)與壓力成反比,表現(xiàn)在波長偏移前者向右移動(dòng),后者反向移動(dòng)。因此通常采用慢軸作為敏感軸,采用PM-PCF作為壓力敏感單元時(shí),在安裝過程中必須區(qū)分敏感軸方向,這無疑給實(shí)際操作帶來很多不便,所以我們采用特殊材料對(duì)敏感單元進(jìn)行封裝,封裝后敏感單元靈敏度有很大提高且易于安裝。

2.2 材料松弛實(shí)驗(yàn)

將光子晶體光纖置于單片80 mm×50 mm×0.8 mm的高分子墊層材料下,將兩者置于材料試驗(yàn)機(jī)上下兩加載平面夾具之間。由于材料試驗(yàn)機(jī)加載方式分為力控和位控兩種,此處采用位移控制方式對(duì)墊層施加一定的預(yù)緊力,將墊層材料從0.8 mm的初始厚度壓縮為0.28 mm保持此位移量,實(shí)時(shí)記錄材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的壓力曲線和干涉譜波長偏移曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 材料松弛實(shí)驗(yàn)曲線

圖6中直線是材料試驗(yàn)機(jī)的壓力數(shù)據(jù)值,抖動(dòng)的曲線是測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)的波長偏移值。兩者進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)下降趨勢(shì)基本一致,但后者數(shù)據(jù)有一定的波動(dòng),分析原因是由于材料試驗(yàn)機(jī)上的位移傳感器精度比力傳感器精度低,其位移控制精度不夠造成測(cè)試系統(tǒng)輸出信號(hào)的抖動(dòng),通過此試驗(yàn)可以看出光子晶體光纖壓力敏感單元可以探測(cè)出形變材料的松弛現(xiàn)象。

2.3 重復(fù)性試驗(yàn)

去高分子墊層材料,將帶涂覆層、不帶基底材料、敏感長度為65 mm的2根裸光纖PM-PCF平行安裝于材料試驗(yàn)機(jī)加載平面內(nèi),進(jìn)行壓力加載實(shí)驗(yàn),加載量程從0～350 N,再從350 N～0 N,步進(jìn)25 N,往返3次,采用力控方式加壓,速度為0.3 N/s,每一步進(jìn)力保持30 s。

兩根光纖平分壓力值,在0～350 N的壓力范圍內(nèi),輸出光譜的譜型良好,實(shí)驗(yàn)曲線見圖7,可以看出在未封裝未加墊層材料情況下,PM-PCF材料本身的重復(fù)性能良好。

圖7 重復(fù)實(shí)驗(yàn)曲線

2.4 溫度特性實(shí)驗(yàn)

為考核光子晶體光纖壓力傳感器溫度特性,將其至于恒溫箱中,溫度從-50 ℃升高到50 ℃,步長為10 ℃。通過圖8的實(shí)驗(yàn)曲線可以求出溫度敏感系數(shù)為-11.8 pm/℃,與壓力敏感系數(shù)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí),所以這種傳感器具有優(yōu)良的抗溫度干擾特性,可適用于溫度變化劇烈的場(chǎng)合,且無需對(duì)傳感器探頭進(jìn)行溫度補(bǔ)償,。

圖8 溫度特性實(shí)驗(yàn)曲線

3 總結(jié)

光子晶體光纖是一種新型材料,由純石英材料制備,不但具有普通光纖的體積小、本質(zhì)安全等特性,還具有高壓力敏感性和低溫度敏感性,使得其在工程應(yīng)用方面具有其他光纖傳感技術(shù)難以企及的優(yōu)勢(shì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)大量程的橫向壓力監(jiān)測(cè),測(cè)量精度和壓力敏感度高、線性度好,還具有優(yōu)良的抗溫度干擾性能。所以通過這種新技術(shù)可以解決某些狹小空間內(nèi)的高精度壓力在線監(jiān)測(cè)難題,下一步還需通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化、安裝工藝等方面展開進(jìn)一步研究工作,力求將這種先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程中。

[1] Pandey N K,Yadav B C. Embedded Fiber Optic Microbend Sensor for Measurement of High Pressure and Crack Detection[J]. Sensors and Actuators A,2006,128:33-36.

[2]Yana C,Ferrarisa E,Geernaertb T,et al. Development of Flexible Pressure Sensing Polymer Foils Based on Embedded Fiber Bragg Grating Sensors[J]. Proc Eng,2010(5):272-275.

[3]Oliver S,Jan R,Tino R Fabian E,et al. Single-Polarization Large-Mode-Area Yb-Doped Photonic Crystal Fiber[C]//Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies(Optical Society of America),2008,PP. CMB2.

[4]Katsuyama T,Matsumura H,Suganuma T. Propagation Characteristics of Polarization Fibers[J]. APPI Opt,1983,22:1748.

[5]陳偉,李詩愈,王彥亮. 特種光纖技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國新通信,2010,17:85-92.

[6]Tsuehida Y,Saitoh K,Koshiba M. Single-Polorization Photonic Crystal Fibers Based on Resonant Coupling Phenomenon[C]//IEEE/LEOS Winter Topical Meeting Series. 2008:190.

[7]Kim D,Kang J U. Sagnac Loop Interferometer Based on Polarization Maintaining Photonic Crystal Fiber with Reduced Temperature Sensitivity[J]. Opt Express,2004,12(19):4490-4495.

[8]Michie A,Canning J. Temperature Independent Highly Briefringent Photonic Crystal Fibre[J]. Opt Express,2004,12(21):5160-5165.

[9]Steel M J,Osgood R M. Polarization and Dispersive Properties of Elliptical Hole Photonic Crystal Fibers[J]. Light Wave Technol,2001,19(4):495-503.

[10]Zhao C,Yang X,Lu C,et al. Temperature Insensitive Interferometer Using a Highly Birefringent Photonic Crystal Fiber Loopmirror[J]. IEEE Photon Technol Lett,2004,16(11):2535-2537.

[11]Nasilowski T,Martynkien T,Statkiewicz G,et al. Temperature and Pressure Sensitivities of the Highly Birefringent Photonic Crystal Fiber with Core Asymmetry[J]. Appl Phys B,2005,81(2/3):325-331.

[12]Caroline Hamel,Eric Pinet. Temperature and Pressure Fiber-Optic Sensors Applied to Minimally Invasive Diagnostics and Therapies[J]. Proc of SPIE,2006,60:83-86.

[13]楊晶,韓曉冰,張東波,等. 一種新穎的布拉格光柵氣體壓力傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(3):355-358.

[14]錢祥忠. 基于光子晶體光纖FP腔的高壓電器溫度傳感器系統(tǒng)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011,24(2):294-297.

On-Line Pressure Monitoring Method Based on Photonic Crystal Fiber*

ZHANGYi*,ZHUANGZhi,CHENYing

(Institute of Systems Engineering.CAEP,Mianyang Sichuan 621999,China)

In order to monitor inter layer pressures in especial compact structure,an on-line and embedded pressure monitoring method is proposed using a new type of material as sensing element,that is polarization-maintaining photonic crystal fiber(PM-PCF). Sensing model is analyzed and measurement system based on Sagnac interferometer is set up to do the calibration experiments. The experiment results show that the output interference fringes of measurement system are shifted linearly with pressures,the dynamic range of sensor is 0～10 kN,sensing precision is 2.6%,pressure sensitivity is 0.441 4 nm/kN,the strain relaxation phenomenon of cushion on the PM-PCF can be observed obviously,and the good repeatability of sensing element is validated by the experiment. The sensor has better engineering practicability and capability to restrain interference brought up by fluctuation of environment temperature,which temperature sensitivity is only -11.8 pm/℃.

fiber optic pressure sensor;photonic crystal fiber;sagnac interferometer;on-line monitoring;relaxation response;low temperature sensitivity

張 毅(1974-),女,漢族,中國工程物理研究院高級(jí)工程師,1997年7月畢業(yè)于電子科技大學(xué)檢測(cè)技術(shù)及儀器專業(yè),2002年12月獲四川大學(xué)測(cè)試技術(shù)及儀器專業(yè)碩士學(xué)位,研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)技術(shù)。工作于中物院總體工程研究所,從事環(huán)境試驗(yàn)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)及環(huán)境試驗(yàn)裝備技術(shù)研究工作,承擔(dān)過多項(xiàng)科研工作,發(fā)表過科研論文幾十余篇,其中核心和EI檢索多篇,zyhjh2493293@sina.com;

莊 志(1973-),男,漢族,中國工程物理研究院高級(jí)工程師,1995年畢業(yè)于重慶大學(xué)自動(dòng)化系檢測(cè)技術(shù)及儀器專業(yè),長期在中物院總體工程研究所從事環(huán)境試驗(yàn)靜態(tài)測(cè)試技術(shù)研究,獨(dú)立承擔(dān)過多項(xiàng)靜態(tài)測(cè)試技術(shù)方面的科研工作。

項(xiàng)目來源:國防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目(JSHS2012212A002)

2014-08-14 修改日期:2015-02-10

C:7230E;7320

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.001

TP212.9;TN247

A

1004-1699(2015)05-0613-04