基于π相移光纖布拉格光柵的超靈敏超聲傳感器研究

郭古青,尹夢(mèng)科,于雋雅,邱選兵,李傳亮

(太原科技大學(xué) 山西省精密測(cè)量與在線檢測(cè)裝備工程研究中心;應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,太原 030024)

傳統(tǒng)的超聲波傳感器是基于鋯鈦酸鉛的壓電陶瓷(Piezoelectric ceramics,PZT)，其靈敏度雖高，但由于諧振效應(yīng)導(dǎo)致其可探測(cè)的帶寬較窄[1].而光纖傳感器具有靈敏度高、重量輕、體積小和帶寬較寬等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)PZT傳感器相比，更適于集成嵌入到結(jié)構(gòu)部件中，且不受電磁干擾和腐蝕的影響，從而提高了光纖傳感器的適用性和應(yīng)用范圍[2].光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器作為一種新型的光纖傳感器，應(yīng)用潛力巨大，目前已逐漸成為PZT傳感器的替代品，在超聲傳感領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注[3].

FBG光纖傳感器的研究已持續(xù)30多年，為了適用于各種各樣的新型應(yīng)用場(chǎng)景，許多新的方法和技術(shù)仍然在不斷發(fā)展[4].如HE等使用壓電陶瓷和光纖布拉格光柵的多點(diǎn)電壓傳感系統(tǒng)證明了電網(wǎng)多點(diǎn)電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可行性[5].BALL等采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)法非線性的調(diào)節(jié)FBG的波長(zhǎng)，但可調(diào)諧范圍有限[6].PEREZ等提出一種匹配解調(diào)系統(tǒng)，利用FBG波長(zhǎng)具有微小差別的2個(gè)FBG分別作為匹配和檢測(cè)FBG，成功檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)，但類似的常規(guī)FBG反射譜寬通常在0.2～0.3 nm，不能充分發(fā)揮窄線寬激光器的精密波長(zhǎng)調(diào)諧能力[7-8].

π相移光纖布拉格光柵(π-Phase-shifted Fiber Bragg Grating,πPS-FBG)作為一種典型的非均勻周期光纖光柵，它是在光纖布拉格光柵的柵區(qū)特定區(qū)域引入相移量，從而在其反射譜阻帶中打開帶寬極窄的透射窗口[9].這種獨(dú)特的光譜特性，使其在超聲檢測(cè)等動(dòng)態(tài)信號(hào)的傳感中具有很好的應(yīng)用前景.如WU等采用2個(gè)級(jí)聯(lián)的πPS-FBG作為聲探測(cè)傳感器，超聲檢測(cè)靈敏度比FBG傳感器提高了30 dB，同時(shí)為了消除光功率噪聲，在提髙檢測(cè)信號(hào)振幅的同時(shí)，采用平衡探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)反射光和透射光來(lái)消除超聲傳感系統(tǒng)中的主要噪聲[10].WANG等用相移光柵搭建了玫瑰花形和陣列式超聲傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行超聲檢測(cè)[11]，對(duì)蘭姆波在復(fù)合材料層板上的全方向傳播進(jìn)行了探索[12].SRIVASTAVA和DAS總結(jié)了πPS-FBG傳感器比傳統(tǒng)的光纖布拉格光柵傳感器在靈敏度和解調(diào)方法等各方面的優(yōu)越性[4]，進(jìn)一步說(shuō)明了πPS-FBG作為傳感器的良好應(yīng)用前景.

目前利用激光探測(cè)超聲的方法較多，但均存在成本高、設(shè)備復(fù)雜或適用性差等問(wèn)題，基于πPS-FBG的激光超聲方法有望突破以上限制，但研究尚處于起步階段，相關(guān)研究成果較少，所以本文擬采用πPS-FBG作為傳感元件，通過(guò)研究不同程度應(yīng)變作用下光柵中心波長(zhǎng)位移量、探測(cè)靈敏度等特性，設(shè)計(jì)一種由πPS-FBG和可調(diào)諧分布式反饋(Distributed Feedback,DFB)激光器構(gòu)成的低成本、小型化、適用極端環(huán)境的πPS-FBG超靈敏激光超聲傳感器.

1 πPS-FBG傳感原理

相移光纖布拉格光柵是一種分布在光纖中的布拉格反射器，在結(jié)構(gòu)上只是在光纖纖芯中周期性地改變一定長(zhǎng)度的折射率.

如圖1所示，πPS-FBG在周期結(jié)構(gòu)的中心引入了π相移跳變，這導(dǎo)致πPS-FBG反射光譜中出現(xiàn)一個(gè)狹窄的光譜缺口；πPS-FBG反射光譜中形成的光譜缺口位置即為布拉格波長(zhǎng)

λB=2neffΛ0,

(1)

式中，neff為纖芯有效折射率，Λ0為光柵周期.當(dāng)πPS-FBG受到超聲波沖擊時(shí)，光纖所受的機(jī)械應(yīng)變會(huì)通過(guò)彈光效應(yīng)改變光柵周期和光纖折射率，使布拉格波長(zhǎng)發(fā)生偏移；因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)πPS-FBG的譜移就可以得到所受應(yīng)變，所以在進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，要著重檢測(cè)πPS-FBG反射光譜中心波長(zhǎng)的位置變化情況.

對(duì)于光柵的中心波長(zhǎng)的變化[13]

(2)

式中，λB表示光柵中心波長(zhǎng)，ΔλB表示光柵中心波長(zhǎng)變化量，LB表示光柵長(zhǎng)度，ΔLB表示光柵長(zhǎng)度的變化量，ρe表示彈性光學(xué)系數(shù)；熱光系數(shù)用αn表示，熱膨脹系數(shù)用αΛ表示.當(dāng)忽略溫度影響時(shí)，(αn+αΛ)ΔT不再存在，(2)式可化成

(3)

因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)超聲波引起的πPS-FBG傳感器反射光譜中心波長(zhǎng)的位移量ΔλB則可以表征出光柵所感應(yīng)的應(yīng)變大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)超聲波變化的功能.

2 πPS-FBG超聲傳感器結(jié)構(gòu)及解調(diào)原理

超靈敏超聲傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)所示，為了提高探測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度和靈敏度，本文采用了激光光源解調(diào)法.由可調(diào)諧分布式反饋激光驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)1 550 nm激光器產(chǎn)生光源，光源通過(guò)光纖分束器進(jìn)入πPS-FBG，光柵感應(yīng)到應(yīng)變時(shí)反射光譜中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移，承載著外部物理信息的反射光譜信號(hào)被平衡光電探測(cè)器(Balanced photodetector,BPD)測(cè)量，把外部應(yīng)變變化量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集.

激光光源解調(diào)法是利用可調(diào)諧分布式反饋(Distributed feedback,DFB)激光器等光源對(duì)光柵波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)的方案，根據(jù)光電探測(cè)器得到的光柵反射或透射光功率以電壓漂移的形式表示超聲波信號(hào)，可表示為[14-15]

VS=ΔλBGRDI,

(4)

式中，VS為探測(cè)交流信號(hào)電壓，G為光柵光譜的斜率，RD為光電探測(cè)器的響應(yīng)因子，I為輸入激光功率.探測(cè)信號(hào)電壓與光柵光譜斜率以及輸入激光功率成比例關(guān)系，因此可以采用具有陡峭光譜斜率的πPS-FBG作為超聲應(yīng)變敏感器件來(lái)提高探測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度和靈敏度.

圖2(b)中陰影部分表示πPS-FBG的反射光譜與可調(diào)諧激光光譜的重疊區(qū)域，當(dāng)πPS-FBG接收到超聲信號(hào)時(shí)，光柵感應(yīng)到應(yīng)變折射率會(huì)改變，其中心波長(zhǎng)隨之發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致光譜重疊面積改變，陰影部分面積的變化即為傳感器輸出電壓信號(hào)的變化.在測(cè)量之前，可調(diào)諧激光器的中心波長(zhǎng)應(yīng)調(diào)諧到光譜的準(zhǔn)線性范圍，即πPS-FBG反射光譜左瓣3 dB點(diǎn)斜率最大處，此時(shí)可以更靈敏的測(cè)量共振光譜的微小變化，可調(diào)諧激光技術(shù)提供了更好的測(cè)量靈敏度，適用于超高分辨率動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量[16].

3 πPS-FBG超聲傳感器的靜態(tài)特性

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

為了測(cè)試πPS-FBG的靜態(tài)特性，以及其相比傳統(tǒng)FBG的靈敏度優(yōu)越性，按圖3所示搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).激光光源部分由寬帶光源和可調(diào)諧分布式反饋激光器組成；壓電陶瓷管激勵(lì)部分由信號(hào)發(fā)生器和高壓放大器組成；信號(hào)檢測(cè)部分由壓電陶瓷管、應(yīng)變片、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、平衡光電探測(cè)器、示波器和光譜儀組成.在壓電陶瓷管激勵(lì)部分，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)先經(jīng)過(guò)高壓放大器放大，然后激發(fā)壓電陶瓷管產(chǎn)生不同程度的應(yīng)變，最后由靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量出應(yīng)變程度.激光源部分產(chǎn)生的激光分別經(jīng)過(guò)FBG和πPS-FBG得到對(duì)應(yīng)反射光譜，同時(shí)緊密粘貼在壓電陶瓷管表面的傳感器會(huì)感應(yīng)到相應(yīng)的應(yīng)變并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)的變化，傳輸?shù)焦庾V儀以測(cè)量出光譜中心波長(zhǎng)的變化.在信號(hào)檢測(cè)部分采用具有窄線寬反射峰的πPS-FBG，結(jié)合可調(diào)諧DFB激光器，構(gòu)建超聲傳感器感應(yīng)超聲應(yīng)變，最后通過(guò)BPD對(duì)傳感器的反射和透射激光功率信號(hào)交流耦合，抑制激光噪聲強(qiáng)度的同時(shí)放大被檢測(cè)信號(hào)的交流分量.

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)首先采用寬帶光源測(cè)試了πPS-FBG和FBG超聲傳感器的靜態(tài)特性，然后比較了兩種傳感器波長(zhǎng)隨應(yīng)變變化的靈敏度.通過(guò)改變高壓放大器的電壓激勵(lì)壓電陶瓷管，可使粘貼在壓電陶瓷管上的應(yīng)變片產(chǎn)生0到10-4ε的應(yīng)變.該壓電陶瓷管加壓后在徑向和軸向2個(gè)方向上都能產(chǎn)生伸縮形變.當(dāng)施加正電壓時(shí)，應(yīng)變?yōu)樨?fù)應(yīng)變，反之為正應(yīng)變.逐步增加激勵(lì)電壓使應(yīng)變從10-6ε開始，步長(zhǎng)為2×10-6ε，記錄每個(gè)應(yīng)變下FBG和πPS-FBG反射光譜中心波長(zhǎng)的變化；再逐步減小電壓使應(yīng)變由大到小變化，以完成一次試驗(yàn)的正反行程中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)量.重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程3次，計(jì)算得到FBG反射光譜中心波長(zhǎng)隨應(yīng)變的變化關(guān)系：δλ-ε=ΔλB/Δε=0.334 3 μm/ε，πPS-FBG為0.658 2 μm/ε，變化關(guān)系線性擬合曲線的線性度均大于0.998，且2種光柵反射光譜中心波長(zhǎng)隨著應(yīng)變?cè)龃笙蚨滩ǘ纹?由于寬帶光源本身光功率和反射信號(hào)強(qiáng)度較低，解調(diào)系統(tǒng)的信噪比難以提高，相應(yīng)的波長(zhǎng)分辨率也受到限制[17].

圖4為DFB激光解調(diào)法中的電壓響應(yīng)隨應(yīng)變的變化趨勢(shì)，正反行程線性擬合曲線斜率平均值分別表示FBG和πPS-FBG電壓響應(yīng)隨應(yīng)變變化關(guān)系，斜率值(δv-ε=Δv/Δε)分別為13.215 kV/ε,125.655 kV/ε.實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置窄帶激光中心波長(zhǎng)初始位置為FBG和πPS-FBG光柵反射光譜左瓣3 dB點(diǎn)處.但由于兩者反射光譜的不同，F(xiàn)BG隨著應(yīng)變的增大頻譜重疊區(qū)域逐漸增大，πPS-FBG先緩慢減小，然后線性遞減再逐漸增大.FBG和πPS-FBG反射光譜中心波長(zhǎng)對(duì)電壓響應(yīng)的靈敏度(δFBG=δv-ε/δλ-ε)分別為39.530 GV/m,190.907 GV/m.可以看出，πPS-FBG的響應(yīng)靈敏度為普通FBG的5倍.電壓響應(yīng)的正反行程曲線存在小幅度的波動(dòng)，其原因可能是實(shí)驗(yàn)環(huán)境中溫度變化引起發(fā)射光譜中心波長(zhǎng)發(fā)生微小的偏移，然而其變化較小且緩慢，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)與真實(shí)值基本保持一致，線性擬合曲線的線性度也均大于0.96.

4 πPS-FBG傳感器對(duì)超聲的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

圖5為驗(yàn)證πPS-FBG超聲傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)示意圖.整個(gè)系統(tǒng)主要分為PZT超聲激勵(lì)部分和πPS-FBG傳感器平衡光電探測(cè)部分.在PZT超聲激勵(lì)部分，將10個(gè)周期的正弦波信號(hào)經(jīng)Hanning窗調(diào)制得到能減少頻譜泄漏且能量集中的單頻信號(hào)，將該信號(hào)導(dǎo)入信號(hào)發(fā)生器(固維AFG-3051型)作為激勵(lì)信號(hào)，再通過(guò)功率放大器(T&C Power Conversion,Inc)放大后，驅(qū)動(dòng)壓電片產(chǎn)生超聲波.實(shí)驗(yàn)試件選用對(duì)激光吸收率較高6061鋁合金板，整體規(guī)格為200 mm×100 mm×10 mm.超聲壓電片和πPS-FBG分別粘貼在距離無(wú)缺陷試件正中心點(diǎn)12.5 mm的左右2側(cè)，為了便于對(duì)比，傳感壓電片與πPS-FBG并排緊密粘貼.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)觀察圖6(a)可發(fā)現(xiàn)πPS-FBG與PZT patch傳感器摻雜了較多的低頻干擾噪聲(相同相隔時(shí)延條件下)，且混疊了功率放大器等電子儀器的高頻噪聲.噪聲水平約為0.01 mV，對(duì)比πPS-FBG靜態(tài)靈敏度(125.655 kV/ε)，可以得到對(duì)應(yīng)的響應(yīng)應(yīng)變?chǔ)う?Δv/δv-ε=79.583×10-12ε，這是該系統(tǒng)超聲誘導(dǎo)的最小可檢測(cè)應(yīng)變.PZT patch采集到的超聲響應(yīng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間較久，壓電片本身的振蕩作用雖然導(dǎo)致壓電片采集到的信號(hào)幅值較大，卻不能真實(shí)反饋?lái)憫?yīng)信號(hào)本身的特征，以致在時(shí)域出現(xiàn)較大誤差.

為了更直觀地觀察πPS-FBG傳感器采集的超聲響應(yīng)信號(hào)特征，采用小波降噪結(jié)合帶通濾波器去除高低頻噪聲，并通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)算法對(duì)其進(jìn)行頻譜分析.圖6(b)為πPS-FBG傳感器探測(cè)到的經(jīng)去噪處理后的時(shí)間響應(yīng)信號(hào)和頻譜響應(yīng)信號(hào)，πPS-FBG傳感器能清晰的展示出激勵(lì)源信號(hào)的波形結(jié)構(gòu)且與壓電片接收結(jié)果保持一致，峰-峰值電壓約為3.36 mV，其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)應(yīng)變?yōu)棣う?Δv/δv-ε=26.740×10-9ε，即πPS-FBG傳感器可以較穩(wěn)定地檢測(cè)出10-9ε級(jí)別的超聲應(yīng)變，同時(shí)可以明顯觀察到1 MHz的響應(yīng)頻譜信噪比可達(dá)到118 dB.

為了進(jìn)一步探究πPS-FBG傳感器頻率響應(yīng)靈敏度(信噪比)對(duì)每個(gè)頻率的依賴關(guān)系，將激勵(lì)源信號(hào)從1 MHz到5 MHz頻率范圍內(nèi)以0.5 MHz為步長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)PZT patch產(chǎn)生超聲波，然后分別將πPS-FBG與PZT patch傳感器探測(cè)到的超聲響應(yīng)信號(hào)用相同的去噪方法處理，最后由響應(yīng)頻譜的振幅得到信噪比與頻率之間的關(guān)系，如圖7所示.擬合曲線表明πPS-FBG對(duì)1～5 MHz高頻的響應(yīng)靈敏度在105 dB以上，其在整個(gè)頻率變化范圍內(nèi)的波動(dòng)保持在19 dB以內(nèi).PZT patch傳感器的靈敏度波動(dòng)(32 dB)比πPS-FBG傳感器要大，主要是由于壓電片的諧振性造成的固有誤差，所以相對(duì)于PZT patch傳感器，πPS-FBG傳感器具有更穩(wěn)定的超聲頻率響應(yīng)靈敏度.

5 結(jié) 論

本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、探測(cè)性能良好的πPS-FBG超靈敏激光超聲傳感器，其電壓響應(yīng)靈敏度為190.907 GV/m，對(duì)1～5 MHz高頻的響應(yīng)靈敏度在105 dB以上，其在整個(gè)頻率變化范圍內(nèi)的波動(dòng)保持在19 dB以內(nèi)，且能夠?qū)嶋H有效的檢測(cè)到超聲作用下6061鋁合金板材上產(chǎn)生的10-9ε應(yīng)變級(jí)的超聲信號(hào).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的基于πPS-FBG的超聲傳感器可達(dá)到很高的靈敏度，有望為極端環(huán)境中金屬構(gòu)件的服役性能狀態(tài)精確檢測(cè)提供了一條可行的途徑.