涂覆層對地質(zhì)用光纖光柵應(yīng)力特性影響研究

摘 要：光纖布拉格光柵（FBG）刻制后，表面會進行二次涂覆來抵抗外界干擾。但是涂覆層會對其應(yīng)變傳感造成干擾，使傳感結(jié)果失真。為了研究應(yīng)力傳感變化規(guī)律，建立對比試驗，研究有無涂覆層的FBG中心波長隨應(yīng)力變化的規(guī)律。可以得到無涂覆層的FBG相對于有涂覆層的FBG的應(yīng)變靈敏度發(fā)生了變化，應(yīng)變靈敏度降低，F(xiàn)BG應(yīng)用到傳感器之前需要對應(yīng)變靈敏度進行重新檢測或是補償。

關(guān)鍵詞：涂覆層；光纖布拉格光柵；影響

1 概述

光纖布拉格光柵（FBG）由于其遠距離傳輸、長時間監(jiān)測、響應(yīng)速度快以及傳感精度高的優(yōu)點，適用于地質(zhì)監(jiān)測以及傳感領(lǐng)域。與此同時，F(xiàn)BG應(yīng)力傳感還可以進行地震監(jiān)測、礦產(chǎn)勘探、油田監(jiān)測等方面應(yīng)用。FBG表面涂覆有聚酰亞胺等材料抵抗外界環(huán)境干擾，但是由于材料性質(zhì)不同會導(dǎo)致光纖表面與涂覆層之間存在微小應(yīng)力，導(dǎo)致傳感精度降低。與此同時，目前FBG傳感器多是表面粘貼式安裝在被測物體表面，也就是說，F(xiàn)BG傳感結(jié)構(gòu)是由FBG、涂覆層、傳感器結(jié)構(gòu)、被測表面形成的。涂覆層產(chǎn)生的微小應(yīng)力會對FBG傳感產(chǎn)生影響。本文通過建立對比試驗，以有涂覆層的FBG以及無涂覆層的FBG為對比材料，研究FBG應(yīng)力傳感規(guī)律變化。

2 實驗原理

2.1 FBG的制作

實驗選出預(yù)備光纖，即可以穩(wěn)定應(yīng)力傳感的普通光纖，中心波長為1545nm。隨后將光纖放入載氫壓力罐中進行10MPa，240小時的載氫測試，增加光敏性來方便刻制光柵。載氫之后，進行剝除約15-20mm涂覆層，預(yù)留照柵位置。如圖1所示，。在實驗室現(xiàn)有光纖光柵的制作工藝基礎(chǔ)上，完成光纖光柵運用準(zhǔn)分子激光器進行光纖光柵的刻制的刻制。通過相位掩模技術(shù)，用紫外激光通過掩模板的±1級衍射光形成的干涉光照射光纖裸纖，同時用光譜儀監(jiān)測其反射光譜技術(shù)參數(shù)。

2.2 FBG的二次涂覆

如圖2所示，根據(jù)FBG的長度以及厚度設(shè)定三維工作平臺的參數(shù)，保證FBG二次涂覆快速均勻。隨后將預(yù)留的光纖兩端裝卡在卡具上，調(diào)整應(yīng)力裝置為0N，保證涂覆過程中FBG處于零應(yīng)力非張緊的狀態(tài)。將裝滿涂覆材料的涂覆槽安裝在恰當(dāng)?shù)奈恢?，進行二次涂覆。之后調(diào)整紫外激光的角度，讓其對準(zhǔn)光纖的位置，進行有效固化。要注意，在涂覆過程中，觀察涂覆層干燥情況調(diào)整電烙鐵的距離，不能過近，導(dǎo)致光纖一端張緊程度過高造成光纖斷裂。

2.3 FBG應(yīng)力實驗

在實驗中應(yīng)用拉力機提供對光纖的拉力，如圖3所示，將有涂覆的FBG以及無涂覆的FBG試驗樣品纏繞在拉力機兩端。隨后將光纖一端與光譜儀相連，觀察FBG中心波長隨著應(yīng)力變化漂移的現(xiàn)象。

2.4 實驗結(jié)果分析

根據(jù)圖3進行的實驗，以0N為初始值，0.25N為跨度，當(dāng)拉力達到4.5±0.1N時，釋放應(yīng)力，重新回到0.5N左右，共采取34個FBG的中心波長變化值，隨之得到應(yīng)力報告。圖4、圖5為無涂覆層的FBG以及有涂覆層的FBG應(yīng)變傳感曲線。

從曲線圖可以看到，涂覆層的存在對于FBG傳感曲線的直線度以及傳感重復(fù)率沒有影響。曲線擬合得出中心波長和應(yīng)力的關(guān)系式分別為：

可以看出無涂覆層的FBG相對于有涂覆層的FBG的應(yīng)變靈敏度發(fā)生了變化，應(yīng)變靈敏度降低，說明涂覆層會對FBG傳感特性發(fā)生了影響。

3 結(jié)束語

由于對比實驗研究涂覆層對光纖光柵應(yīng)力特性影響，得出涂覆層會對光纖光柵應(yīng)力傳感起到降低作用，所以在涂覆光纖光柵應(yīng)用到傳感器中時，需要對光柵進行測試，或者需要在批量生產(chǎn)時，對于涂覆光纖光柵應(yīng)變靈敏度做出相應(yīng)的補償機制。在此，需要對1545nm的FBG傳感靈敏度進行±0.008之間的補償，從而提高光纖光柵的傳感精度。

作者簡介：米亭（1993-），女，漢，河北省贊皇縣，在讀研究生，河北地質(zhì)大學(xué)，研究方向：勘查裝備智能化與網(wǎng)絡(luò)化。