基于游標(biāo)效應(yīng)的FBG陣列靈敏度增強(qiáng)研究

王 菊,趙 燕,劉繼超

(燕京理工學(xué)院,河北 廊坊 065201)

1 引 言

應(yīng)變和溫度傳感器是一類非常重要的物理量傳感器,在大型建筑物健康結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、機(jī)器人、化學(xué)化工、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用[1-2]。光纖傳感器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、抗腐蝕、易遠(yuǎn)程監(jiān)控、不受電磁輻射干擾等優(yōu)點(diǎn)引起了科研人員的廣泛關(guān)注[3-4]。因?yàn)榧皶r(shí)監(jiān)測(cè)溫度和應(yīng)變參數(shù)可以從側(cè)面反映系統(tǒng)存在的安全隱患或是缺陷,以便及時(shí)采取補(bǔ)救措施,所以我們亟需一種有效監(jiān)測(cè)光纖傳感工具來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和應(yīng)變的變化。

FBG作為技術(shù)成熟、商用化最廣泛的光纖傳感器之一,大量應(yīng)用在大壩、道路、橋梁等大型建筑的應(yīng)變和溫度檢測(cè)中[5]。FBG具有制備工藝成熟,成品率高、成本低、易于集成、能工作于嚴(yán)苛環(huán)境下等眾多優(yōu)點(diǎn),成為近年來研究的熱點(diǎn)。FBG的溫度靈敏度只有大約10 pm/ ℃,應(yīng)變靈敏度只有大約1.1 pm/me[6]。因此,FBG的溫度和應(yīng)變靈敏度需要改善。游標(biāo)效應(yīng)是提升光纖傳感器靈敏度的一種有效的方法[7-8],現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在光纖傳感系統(tǒng)中[9-10]。游標(biāo)效應(yīng)用于放大疊加的傳感光譜和參考光譜產(chǎn)生的共振峰的漂移,通過提取疊加光譜包絡(luò)中心波長(zhǎng)的變化解調(diào)出傳感量的變化。目前,在法布里-珀羅干涉儀[11-12]、馬赫-增德爾干涉儀[13]、薩格納克干涉儀[14]、環(huán)形諧振器[7]等級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)上已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了游標(biāo)效應(yīng)。

等波長(zhǎng)間隔的FBG陣列在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以看作是周期性梳狀光譜,通過級(jí)聯(lián)一個(gè)與FBG陣列的波長(zhǎng)周期有輕微差異的干涉儀,就產(chǎn)生光譜疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)原有FBG溫度和應(yīng)變靈敏度的放大作用?；谏鲜鏊悸肺覀兲岢隽嘶谟螛?biāo)效應(yīng)的FBG溫度、應(yīng)變靈敏度增強(qiáng)方法。

在本文中,我們提出了一種FBG陣列增敏方法,利用定標(biāo)的LI透射光譜和FBG陣列的反射光譜疊加產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了FBG傳感器溫度和應(yīng)變靈敏度的大范圍提升。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均表明可以通過控制LI的FSR來調(diào)控FBG陣列傳感器的溫度和應(yīng)變靈敏度。采用同時(shí)監(jiān)測(cè)疊加光譜高頻分量和包絡(luò)光譜的方法解決了FBG陣列的溫度和應(yīng)變交叉敏感問題。在LI FSR為1.76 nm的情況下,本文提出的高靈敏度溫度和應(yīng)變傳感器在溫度和應(yīng)變靈敏度方面與傳統(tǒng)FBG傳感器相比有較大提升。溫度和應(yīng)變分辨率分別為±0.0816 ℃和±0.0211 me。

2 基本原理及仿真

本文提出的基于LI和FBG陣列級(jí)聯(lián)的高靈敏度溫度、應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。寬帶自發(fā)輻射光源(Amplified spontaneous emission,ASE)發(fā)出的光經(jīng)過LI。LI由兩個(gè)起偏器和一段PMF組成,兩個(gè)起偏器PMF的快軸和中間熔接的那段PMF快軸之間呈45 °,ASE光源發(fā)出的低偏光經(jīng)過第一個(gè)起偏器后變成線偏振光,在第一個(gè)PMF 45 °熔接處,一部分線偏振光在快軸傳輸,一部分線偏振光在慢軸傳輸,在第二個(gè)PMF 45 °熔接處匯合。由于在PMF快慢軸傳輸?shù)木€偏振光存在光程差導(dǎo)致兩束光之間存在相位差。兩束光在第二個(gè)PMF 45 °熔接處發(fā)生干涉后經(jīng)過第二個(gè)起偏器重新變?yōu)榫€偏振光,然后通過環(huán)形器進(jìn)入FBG陣列。FBG陣列是由多個(gè)反射率相似,波長(zhǎng)間隔相等的FBG組成。為了減小傳感器尺寸,每個(gè)FBG的柵區(qū)長(zhǎng)度為1 cm,且各個(gè)FBG緊挨在一起。FBG陣列的反射光譜通過環(huán)形器后進(jìn)入光譜分析儀(Optical spectrum analyzer,OSA)。LI透射光譜作為游標(biāo)效應(yīng)的“主尺”,FBG陣列的反射光譜作為游標(biāo)效應(yīng)的“游標(biāo)尺”,通過控制LI的FSR,使之與FBG陣列的類周期性反射光譜在細(xì)微差別,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感信號(hào)的放大增強(qiáng)。

圖1 LI與FBG陣列級(jí)聯(lián)傳感器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the proposed sensor cascaded with Lyot interferometer and FBGs array

LI的透射光譜可以表示為:

TLyot=sin2αsin2β+cos2αcos2β+

(1)

其中,α和β分別是兩個(gè)起偏器的PMF快軸與中間那段PMF快軸之間的角度；Δφ是相對(duì)相位差。Δφ可以表示為:

(2)

其中,LPMF是兩個(gè)光纖熔接點(diǎn)之間的距離；B是PMF的雙折射系數(shù)；λ是入射波長(zhǎng)。LI的FSR可以表示為:

(3)

LI的FSRLyot由B和LPMF決定。使用的PMF有確定的B值,所以通過改變PMF長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)LI FSR。

ASE光源通過LI后會(huì)形成周期性干涉光譜,保證LI不受外界擾動(dòng)影響就可以將LI產(chǎn)生的干涉譜作為參考光譜,即“主尺”。傳輸光通過FBG陣列后,在參考光譜的基礎(chǔ)上會(huì)疊加FBG陣列的反射光譜,FBG陣列由多個(gè)等反射率等波長(zhǎng)間隔的FBG組成,FBG陣列反射光譜可以看做是在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的類周期光譜,其FSR可以看作是FBG陣列的波長(zhǎng)間隔。通過FBG陣列感受外界擾動(dòng),就可以將FBG陣列反射光譜作為傳感光譜,即“游標(biāo)尺”。

當(dāng)LI光譜的第i級(jí)共振波峰的波長(zhǎng)與FBG陣列第j個(gè)反射峰中心波長(zhǎng)重合時(shí),就會(huì)在重合波長(zhǎng)位置形成一個(gè)疊加光譜上包絡(luò)波峰極大值和下包絡(luò)波谷極小。當(dāng)LI光譜的共振波谷與FBG反射譜的反射峰中心波長(zhǎng)重合時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疊加光譜上包絡(luò)波谷極小值和下包絡(luò)波峰極大值。由于LI光譜的FSR和FBG陣列的波長(zhǎng)間隔存在輕微差別,所以下一個(gè)疊加光譜包絡(luò)極大值和極小值又會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。最終在疊加光譜中產(chǎn)生周期性的光譜,通過對(duì)周期性疊加光譜提取包絡(luò),即可解調(diào)出外界的擾動(dòng)。

在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi),包絡(luò)光譜的FSR可以表示為:

(4)

其中,FSRenv是包絡(luò)光譜的FSR；DFBGs是FBG陣列的波長(zhǎng)間隔。當(dāng)對(duì)FBG陣列的各個(gè)FBG施加同樣的溫度或是應(yīng)變的情況下,FBG陣列反射光譜將會(huì)發(fā)生反射波長(zhǎng)漂移,但是FBG陣列的反射光譜波長(zhǎng)間隔保持不變,相當(dāng)于“游標(biāo)尺”發(fā)生變化,而LI因?yàn)槲词芡饨鐢_動(dòng),其光譜不發(fā)生變化,即“主尺”保持不變。因此包絡(luò)光譜的漂移相當(dāng)于被放大,包絡(luò)光譜的放大倍數(shù)M可以表示為:

(5)

從上式可以看出改變LI中PMF長(zhǎng)度就可以改變LI的FSRlyot,進(jìn)而改變包絡(luò)光譜放大倍數(shù)。

LI的透射光譜、FBG陣列的反射光譜和疊加光譜的仿真結(jié)果如圖2所示。LI的FSR設(shè)置為為1.6 nm。LI透射光譜如圖2(a)所示。FBG陣列的起始波長(zhǎng)為1532 nm,截止波長(zhǎng)為1566 nm,FBG數(shù)量為18個(gè),波長(zhǎng)間隔為2 nm。FBG陣列的反射光譜如圖2(b)所示。LI的透射譜和FBG陣列反射譜相疊加,疊加光譜如圖2(c)所示。對(duì)疊加光譜提取包絡(luò),從圖2(c)中可以看出,上下包絡(luò)均呈類周期結(jié)構(gòu)。

圖2 光譜的仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of the sensor spectrum

LI的透射光譜、FBG陣列的反射光譜和疊加光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。LI的FSR大約為1.6 nm左右。兩個(gè)起偏器PMF快軸和中間那段PMF快軸的夾角均為45 °。使用248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光器在SMF上制備FBG陣列,FBG陣列的起始波長(zhǎng)為1533.4 nm,截止波長(zhǎng)為1567.2 nm,FBG數(shù)量為18,波長(zhǎng)間隔為2 nm左右。FBG陣列的反射光譜如圖3(b)所示。LI的透射譜和FBG陣列反射譜相疊加,疊加光譜如圖2(c)所示。對(duì)疊加光譜提取包絡(luò),從圖3(c)中可以看出,上包絡(luò)呈類周期結(jié)構(gòu),下包絡(luò)較為雜散,這是因?yàn)镕BG陣列反射光譜的底噪對(duì)疊加光譜產(chǎn)生影響。

圖3 光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of the sensor spectrum

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)本文提出的靈敏度增強(qiáng)型光纖FBG傳感器進(jìn)行溫度和應(yīng)變實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 傳感器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the proposed fiber-optic sensor test system

兩個(gè)起偏器的輸出PMF分別與一段PMF的頭尾相接,兩個(gè)起偏器輸出PMF的快軸與這段PMF快軸的夾角為45 °焊接,兩個(gè)光纖熔接點(diǎn)之間的這段PMF的長(zhǎng)度即為公式(3)中PMF的長(zhǎng)度。首先將FBG陣列放入溫箱進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn),測(cè)量溫度范圍為30 ℃到80 ℃,溫度的步長(zhǎng)為5 ℃。然后將FBG陣列夾持在兩個(gè)光纖夾具之間,兩個(gè)光纖夾具的距離是1 m,每次位移10 μm,則施加在FBG陣列上的應(yīng)變值為100 με。

我們首先測(cè)量了疊加光譜高頻分量的溫度響應(yīng)。當(dāng)LI的FSR為1.76 nm的時(shí)候,其中一個(gè)疊加光譜的高頻分量光譜隨溫度變化如圖5(a)所示。疊加光譜如5(a)插圖所示。不同LI FSR情況下,疊加光譜高頻分量共振峰中心波長(zhǎng)隨溫度的變化如圖5(b)所示。在LI的FSR分別為1.60 nm、1.70 nm、1.76nm的情況下,疊加光譜中高頻分量諧振峰的溫度靈敏度分別為9.0 pm/ ℃、8.7 pm/ ℃、7.3 pm/ ℃。

圖5 溫度變化過程中疊加光譜高頻分量和 共振峰中心波長(zhǎng)的變化Fig.5 Variation of high frequency component and central wavelength of resonance peak in the process of temperature change

我們對(duì)疊加光譜提取了上包絡(luò),當(dāng)LI的FSR為1.76 nm的時(shí)候,上包絡(luò)光譜的一個(gè)波谷隨溫度變化如圖6(a)所示。上包絡(luò)光譜和選取的波谷如圖6(a)插圖所示。不同LI FSR情況下,包絡(luò)波谷中心波長(zhǎng)隨溫度的變化如圖6(b)所示。在LI的FSR分別為1.60 nm、1.70 nm、1.76nm的情況下,波谷的溫度靈敏度分別為-55.05 pm/ ℃、-218.44 pm/ ℃、-241.60 pm/ ℃。根據(jù)公式(3),溫度靈敏度放大倍數(shù)的理論計(jì)算值/實(shí)驗(yàn)值分別為5.0/5.5,6.7/21.8,8.3/24.2。溫度靈敏度放大倍數(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)值相對(duì)較為吻合。理論和實(shí)驗(yàn)值有些差異的主要原因是LI的透射光譜可能發(fā)生波動(dòng)或是疊加光譜包絡(luò)的提取算法可能需要繼續(xù)改進(jìn)。

圖6 溫度變化過程中疊加光譜包絡(luò)和 共振峰中心波長(zhǎng)的變化Fig.6 The change of the superposition spectrum envelope and the center wavelength of the resonance peak in the process of temperature change

之后測(cè)量了疊加光譜高頻分量的應(yīng)變響應(yīng)。當(dāng)LI的FSR為1.76 nm的時(shí)候,其中一個(gè)高頻分量共振峰光譜隨應(yīng)變變化如圖7(a)所示。疊加光譜如圖7(a)插圖所示。我們選擇其中一個(gè)共振峰監(jiān)測(cè)其中心波長(zhǎng)。不同LI FSR情況下,共振峰中心波長(zhǎng)隨應(yīng)變的變化如圖7(b)所示。在LI的FSR分別為1.60 nm、1.70 nm、1.76nm的情況下,疊加峰中共振峰的應(yīng)變靈敏度分別為0.80 pm/με、0.77 pm/με、0.91 pm/με。

對(duì)疊加光譜提取了上包絡(luò),當(dāng)LI的為1.76 nm的時(shí)候,上包絡(luò)光譜的一個(gè)波谷隨應(yīng)變變化如圖8(a)所示。上包絡(luò)光譜和選取的波谷如圖8(a)插圖所示。不同LI FSR情況下,波谷中心波長(zhǎng)隨應(yīng)變的變化如圖8(b)所示。在LI的FSR分別為1.60 nm、1.70 nm、1.76 nm的情況下,波谷的應(yīng)變靈敏度分別為-6.88 pm/με、-11.70 pm/με、-13.42 pm/με。根據(jù)公式(3),應(yīng)變靈敏度放大倍數(shù)的理論計(jì)算值/實(shí)驗(yàn)值分別為5.0/6.3,6.7/10.6,8.3/12.2。應(yīng)變靈敏度放大倍數(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)值較為吻合。

除了控制PMF的長(zhǎng)度改變LI的FSR,進(jìn)而改變傳感器的靈敏度外,還可以改變FBG陣列的間隔波長(zhǎng)。相對(duì)于掩膜版法制備FBG,飛秒激光刻寫FBG除了能靈活控制FBG的反射波長(zhǎng)還可以減小傳感器的尺寸,使用飛秒激光刻寫FBG不僅可以大大提高這種傳感結(jié)構(gòu)的靈活性,還能減小傳感頭尺寸。

圖7 應(yīng)變化過程中疊加光譜高頻分量和 共振峰中心波長(zhǎng)的變化Fig.7 Variation of high frequency component and central wavelength of resonance peak in the process of strain change

圖8 應(yīng)變變化過程中疊加光譜包絡(luò)和 共振峰中心波長(zhǎng)的變化Fig.8 The change of the superposition spectrum envelope and the center wavelength of the resonance peak in the process of strain change

溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題是一個(gè)亟需解決的問題,交叉敏感問題限制了FBG陣列識(shí)別不同的外部環(huán)境擾動(dòng)。從上面實(shí)驗(yàn)可以看出,包絡(luò)波谷和疊加光譜的高頻分量對(duì)溫度和應(yīng)變呈現(xiàn)不同的靈敏度?；谏鲜霰疚奶岢龅膫鞲衅鞯莫?dú)特特性,我們采用同時(shí)監(jiān)測(cè)包絡(luò)光譜和疊加光譜的高頻分量的中心波長(zhǎng),既可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。包絡(luò)光譜波谷和疊加光譜高頻分量諧振峰的波長(zhǎng)變化與溫度和應(yīng)變的變化可以寫成矩陣形式,可以表示為:

(6)

其中,Δλenv和Δλpeak是包絡(luò)光譜波谷和疊加光譜高頻分量的波長(zhǎng)變化；Kenv,T和Kpeak,T是光譜波谷和疊加光譜高頻分量的溫度靈敏度；Kenv,ε和Kpeak,ε是光譜波谷和疊加光譜高頻分量的應(yīng)變靈敏度；ΔT和Δε分別是溫度和應(yīng)變變化。溫度和應(yīng)變分辨率可以表示為:

(7)

其中,z(ΔT)和z(Δε) 是包絡(luò)光譜波谷和疊加光譜高頻分量的波長(zhǎng)分辨率。將當(dāng)LI的FSR為1.76 nm時(shí)包絡(luò)光譜波谷和疊加光譜高頻分量的溫度、應(yīng)變靈敏度代入上式。我們使用的光譜儀為日本橫河公司生產(chǎn)的AQ8603C,波長(zhǎng)最小分辨率為0.02 nm,所以本文提出的高靈敏度溫度、應(yīng)變傳感器的溫度和應(yīng)變分辨率為±0.0816 ℃和±0.0211 Δε。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于游標(biāo)效應(yīng)的高靈敏度FBG傳感器,該傳感器是通過將LI和FBG陣列級(jí)聯(lián)而成,通過合理的設(shè)置LI的FSR和FBG陣列的波長(zhǎng)間隔,使疊加光譜產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng),通過解調(diào)疊加光譜的包絡(luò)進(jìn)而得到傳感量的變化。本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該光纖傳感結(jié)構(gòu)的游標(biāo)效應(yīng)。在LI FSR為1.76 nm、FBG陣列波長(zhǎng)間隔為2 nm的情況下,本文提出的傳感器溫度靈敏度為-241.60 pm/ ℃,應(yīng)變靈敏度為-13.42 pm/με。為了減小傳感器的尺寸,可以采用飛秒激光刻寫FBG陣列。為提高FBG傳感器的靈敏度提供了一種新思路。