光纖布拉格光柵應(yīng)力傳感技術(shù)研究與應(yīng)用

胡正文, 焦莉平, 龐成鑫, 桑 杰, 程馮宇

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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光纖布拉格光柵應(yīng)力傳感技術(shù)研究與應(yīng)用

胡正文, 焦莉平, 龐成鑫, 桑 杰, 程馮宇

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

介紹了光纖布拉格光柵測量應(yīng)力的原理,論述了國內(nèi)外光纖布拉格光柵在應(yīng)力測量方面的研究與應(yīng)用.分析了制備工藝、聚合物封裝、化學(xué)蝕刻、復(fù)合材料封裝等對(duì)光纖布拉格光柵在測量范圍、測量精度、工作壽命、多路復(fù)用以及實(shí)用性方面的影響.指出了光纖布拉格光柵要在實(shí)際中得到更廣泛的應(yīng)用,仍需作更多的研究,找到簡便易行的封裝方法,從而實(shí)現(xiàn)更高精度、更大范圍的信號(hào)檢測.

光纖布拉格光柵; 應(yīng)力測量; 微結(jié)構(gòu); 聚合物

光纖傳感技術(shù)是感知技術(shù)的重要分支.它是以光波為信息載體,以光纖為傳輸媒介,感知和傳輸外界被測量信號(hào)的新型傳感技術(shù).光纖傳感器具有抗電磁干擾、靈敏度高、可靠性好、傳輸距離遠(yuǎn)、絕緣性好、帶寬大等優(yōu)點(diǎn),光纖可同時(shí)作為傳感元件和傳輸媒介,容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測量.

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器[1]出現(xiàn)以后,在光纖傳感技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用.與其他光纖傳感器相比,FBG傳感器具有線性輸出、絕對(duì)測量、構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)、全光纖化等優(yōu)點(diǎn),因而在分布式應(yīng)力測量中具有很好的應(yīng)用前景.

1 光纖布拉格光柵傳感原理

FBG是根據(jù)光纖的紫外光敏特性原理[2],通過高強(qiáng)度紫外相干光照射光敏玻璃纖芯,使光纖纖芯形成折射率沿軸向呈周期性分布,從而形成一個(gè)反射式光纖光柵.當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí),滿足光纖光柵布拉格條件的波長將被反射,其余的波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸,其工作原理如圖1所示.

圖1 FBG的工作原理示意

按照耦合模理論,只有滿足布拉格條件的光波才能夠被光柵反射,圖2為光纖光柵在不同溫度和壓力作用下的入射譜、反射譜和透射譜.

圖2 FBG在不同溫度和壓力作用下的光譜

其布拉格條件如下:

(1)

式中:λB——FBG的反射波長;neff——光纖纖芯的有效折射率;Λ——FBG中光柵的折射率調(diào)制周期或者柵距.

FBG反射的中心波長λB只取決于neff和Λ,當(dāng)二者發(fā)生變化時(shí),中心波長λB的變化表征為:

(2)

在實(shí)際情況中,應(yīng)變和溫度都會(huì)引起neff和Λ的變化,當(dāng)FBG不受外力的影響,只受環(huán)境溫度變化的影響時(shí),中心波長將發(fā)生漂移,漂移量和溫度變化的關(guān)系式為:

(3)

式中:α——FBG材料的熱膨脹系數(shù);ξ——FBG材料的熱光系數(shù); ΔT——環(huán)境溫度變化量.

當(dāng)FBG所處的環(huán)境溫度恒定,只在外力場的作用下,產(chǎn)生應(yīng)力變化量Δε,則λB也將發(fā)生漂移,漂移量與應(yīng)力變化關(guān)系式為:

(4)

(5)

式中:Pe——FBG材料的有效彈光系數(shù);P1,P2——FBG材料的彈光系數(shù)[3-6];μ——FBG材料的泊松比.

如果FBG同時(shí)受應(yīng)力和溫度作用,其反射中心波長的漂移量可表示為:

(6)

由式(6)可以看出,溫度與應(yīng)力的變化均會(huì)引起FBG反射光中心波長的改變,因而在應(yīng)力測量中,首先要解決的問題是如何測量波長的變化,其次要解決溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}.

2 光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用

2.1 新型光纖布拉格光柵制備工藝應(yīng)用于應(yīng)力測量

2.1.1 光纖布拉格光柵制備工藝的發(fā)展

光纖光柵的制備方法有駐波法、全息干涉法、相位掩模法[6-9]等.1978年加拿大渥太華通信研究中心的HILL K O等人采用488 nm 氬離子激光,用駐波法在摻鍺的石英玻璃光纖中制成了光纖光柵,開啟了光纖光柵發(fā)展的大門.1989年,美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的MELTZ G等人采用全息干涉法,即利用高強(qiáng)度紫外激光所形成的干涉條紋對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光,對(duì)光纖纖芯的折射率進(jìn)行調(diào)制并獲得光纖光柵.全息干涉法也稱為橫向?qū)懭敕?該方法的發(fā)明使光纖光柵技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展.HILL K O等人于1993年報(bào)道了相位掩模法.相位掩模板是在石英襯底上刻制而成的相位光柵.在制備光纖光柵時(shí),將相位掩模板放在光纖附近,紫外激光通過相位掩模板輻照光纖,在光纖上形成干涉條紋并在光纖內(nèi)形成光柵[10-12].

2.1.2 新型微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵制備

隨著對(duì)光纖布拉格光柵應(yīng)力應(yīng)變傳感的深入研究,國內(nèi)外的研究者嘗試從FBG的制備工藝開始改進(jìn),提高光纖光柵應(yīng)力傳感器的性能.2011年7月,中國華中科技大學(xué)、武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)了基于FBG用于應(yīng)變和溫度測量的傳感器.通過紅外飛秒激光刻寫技術(shù),在光纖上制備出新型FBG,并通過實(shí)驗(yàn)研究了該FBG感應(yīng)溫度和應(yīng)變的特性.透射譜中4個(gè)驟降的諧振峰表明了該FBG對(duì)應(yīng)力變化有相似的敏感性,對(duì)溫度變化有不同的敏感性.他們將800 nm飛秒激光照射在非光敏性全固體光纖上來刻寫光纖布拉格光柵,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新的波長編碼傳感器[13-14].該設(shè)計(jì)使用的光纖是由折射率高低交替的同心圓環(huán)層構(gòu)成,通過等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)工藝制成.同時(shí),從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了光纖光柵的光譜特性和傳感特性,對(duì)于應(yīng)變和溫度的分辨率分別是±26 με和±1.2 ℃.該FBG直徑為12 mm,其折射率分布(RIP)和光纖橫截面的顯微鏡圖像如圖3所示.它是復(fù)合纖芯化合物,由3.3 μm直徑的低折射率的暗色核心和3.1 μm厚度的高折射率的亮環(huán)構(gòu)成,相對(duì)于背景折射率的差值分別是-0.005 55和0.011 86(如圖3a中的片段a和片段b所示).由圖3b可以看出,該FBG總共由11個(gè)周期性交替的高折射率環(huán)(摻雜有鍺)和低折射率環(huán)(摻雜有氟)同軸層構(gòu)成.最里面的6個(gè)暗環(huán)和5個(gè)亮環(huán)的厚度分別是2.23 μm和2.47 μm.這兩種類型的環(huán)與背景折射率的差值是-0.015 40和0.004 40.該FBG易于與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖相熔接[14-16].

2.1.3 可調(diào)諧聚合物光纖布拉格光柵制備

2012年3月,丹麥科技大學(xué)的研究者制備出了穩(wěn)定的波長可調(diào)諧聚合物FBG,以及基于雙光柵溫度補(bǔ)償?shù)木酆衔颋BG應(yīng)變傳感器[16-18].其中,聚合物為甲基丙烯酸甲酯.通過可調(diào)諧的聚合物FBG的應(yīng)變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這種光纖光柵在小于1%時(shí)的應(yīng)變范圍內(nèi),中心波長線性變化量超過7 nm.應(yīng)變達(dá)到1%以上時(shí),調(diào)諧曲線趨于飽和;當(dāng)變化量達(dá)到12 nm時(shí),應(yīng)變?yōu)?.25%.

用單模微結(jié)構(gòu)聚合物光纖制備了雙光纖光柵應(yīng)變傳感器,實(shí)驗(yàn)得到溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變感應(yīng)范圍約為850 nm.FBG諧振波長與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示.該微結(jié)構(gòu)聚合物光纖直徑為180 μm,光子晶體光纖纖芯由3個(gè)六邊形的格子氣孔環(huán)包圍.氣孔直徑平均為2±0.2 μm,氣孔間距平均為4.8±0.2 μm[19-22].

圖3 實(shí)驗(yàn)所用FBG的折射率分布和光纖截面的顯微照片

圖4 FBG諧振波長與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 化學(xué)蝕刻技術(shù)制作FBG傳感器

2014年2月,葡萄牙和德國的研究者利用化學(xué)蝕刻技術(shù)制備出超高靈敏度的FBG應(yīng)變傳感器[23-24].實(shí)驗(yàn)得到基于波長和半高寬度(Full Width Half Maximum,FWHM)的最大靈敏度分別是104.1 pm/με和61.6 pm/με.該傳感器的分辨率可以達(dá)到700 nε.實(shí)驗(yàn)中,使用受激準(zhǔn)分子激光器將一個(gè)3 mm的FBG寫入光敏單模光纖(SMF)中.傳感探頭連接在光柵光纖末端,并將這個(gè)光纖末端多余的部分切掉,僅保留2 mm未處理的光纖光柵.然后對(duì)光纖末端的光纖光柵進(jìn)行濕化學(xué)腐蝕,將其浸沒在40%氫氟酸(HF)溶液中55 min,光纖末端逐漸變細(xì)成為錐形光纖,最后的光纖末端直徑控制到約12 μm,整個(gè)光纖長度控制到4.5 mm.這樣處理后,光柵的反射光譜的布拉格波長漂移約10 nm,而且半高寬度從0.36 nm增加到6.03 nm,這表明化學(xué)蝕刻技術(shù)顯著地提高了傳感探頭對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)敏感度[25-28].

2.3 復(fù)合材料封裝的光纖布拉格光柵傳感器

2015年3月,新加坡南洋理工大學(xué)的研究者設(shè)計(jì)了一種新型的應(yīng)用于現(xiàn)場應(yīng)力測量的FBG傳感器,他們使用復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG傳感器的封裝,利用液體壓力差的原理測量應(yīng)力.通過用量水管做應(yīng)力靈敏度的標(biāo)定實(shí)驗(yàn),得到該傳感器系統(tǒng)靈敏度為1.636×10-2MPa-1.該結(jié)果表明,FBG傳感器對(duì)于水位上升的響應(yīng)是線性的.實(shí)驗(yàn)中使用的FBG傳感器的封裝材料是基于樹脂的層疊復(fù)合應(yīng)用材料.上述傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示,主體是一個(gè)不銹鋼的中空?qǐng)A柱體,一端是封閉的,另一端用一個(gè)帽蓋封住.帽蓋上有兩個(gè)鉆孔,其中有一個(gè)直徑為1 mm的鉆孔位于蓋帽的圓心處,它被橫截面積相等的圓板分隔成兩個(gè)部分.

在圖5的右側(cè)部分,光纖光柵的一端牢固地粘貼到圓板圓心處,另一端被固定在帽蓋圓心上,并且平行于圓柱的軸心.光纖沿著帽蓋和圓板的軸心穿過鉆孔.另一個(gè)直徑1.5 mm的鉆孔在帽蓋的中心軸偏移2.5 mm處,并與直徑1.4 mm的導(dǎo)管相連.中空?qǐng)A柱體的左側(cè)部分填充穩(wěn)定的惰性硅膠.圓柱右側(cè)空的部分和導(dǎo)管填充滿惰性硅油.這樣可以避免光纖纖芯直接接觸到化學(xué)活性液體[29-31],從而很好地保護(hù)了光纖.

圖5 FBG應(yīng)力傳感截面示意

3 結(jié) 語

目前,國內(nèi)外對(duì)于FBG應(yīng)力傳感器的研究主要集中在兩個(gè)方面,一是光纖布拉格光柵的制備技術(shù),包括微結(jié)構(gòu)的布拉格光柵的制備、化學(xué)蝕刻技術(shù)處理的布拉格光柵的制備等;二是光纖光柵應(yīng)力傳感器的封裝材料,如聚合物材料、樹脂固化的層疊復(fù)合材料等.通過光纖光柵制備技術(shù)和封裝材料技術(shù)的改進(jìn),光纖光柵應(yīng)力傳感器在測量范圍、測量精度、工作壽命等不同方面的性能得到了提高,擴(kuò)展了光纖光柵應(yīng)力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍.同時(shí),部分研究成果對(duì)光纖光柵應(yīng)力傳感器在應(yīng)力測量中的溫度與應(yīng)力交叉敏感的問題提出了合理的解決方案.在未來的研究中,光纖光柵應(yīng)力傳感器的研究應(yīng)該與實(shí)際應(yīng)用場景相結(jié)合.

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(編輯 白林雪)

Progress of Study on Strain Sensing Technology of Fiber Bragg Grating

HU Zhengwen, JIAO Liping, PANG Chengxin, SANG Jie, CHENG Fengyu

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

A brief summary of the principle of strain measurement with fiber Bragg grating is made with focus on the domestic and foreign fiber Bragg grating in the research and application of strain measurement.Analysis is carried out of the preparation process,polymer packaging,chemical etching and composite packaging of fiber Bragg grating in measurement range,measurement accuracy,working life,multiplexing and practical effect.It is shown that the fiber Bragg grating to actually get more extensive application still needs to do more research,to find simple encapsulation method in order to achieve higher accuracy and greater range of signal detection.

fiber Bragg grating; measurement of stain; microstructure; polymer

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.006

2016-03-16

龐成鑫(1979-),男,博士,教授,安徽滁州人.主要研究方向?yàn)楣韫庾悠骷?光傳感技術(shù),智能電網(wǎng)光傳輸.E-mail:chengxin.pang@gmail.com.

上海市高校青年東方學(xué)者項(xiàng)目(QD2015044);上海市浦江人才A類項(xiàng)目(15PJ1402700).

TP212.44;TN253

A

1006-4729(2017)01-0025-05