长周期光纤光栅的弯曲传感特性

江柳清，胡义慧，江 超

（湖北师范大学物理与电子科学系，湖北黄石 435002）

长周期光纤光栅的弯曲传感特性

江柳清，胡义慧，江 超

（湖北师范大学物理与电子科学系，湖北黄石 435002）

长周期光纤光栅是一种先进的光纤无源器件，在光纤传感领域中应用广泛。利用高频CO2激光刻写了长周期光纤光栅，进行了弯曲传感特性实验。实验结果表明：在圆周角度达到80°时和320°时弯曲灵敏度最高，在80°时弯曲量越大谐振波长越小，弯曲量与谐振峰波长变化呈线性关系。在圆周角度达到0°和160°时弯曲灵敏度最低，在160°时弯曲量变化时谐振峰波长基本不变。在0°～360°之间，弯曲量与损耗幅值变化均呈现一定的线性关系。因此，能够利用长周期光纤光栅制作高灵敏度弯曲传感器。

光纤光栅传感器；长周期光纤光栅；高频CO2激光；弯曲特性

0 引言

长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器，测量精度较高［1］。与光纤布拉格光栅不同，长周期光纤光栅的光栅周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模。这一特点导致了长周期光纤光栅的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比光纤布拉格光栅更好的温度、应变、弯曲、横向负载、折射率灵敏度［2－6］。因此，长周期光纤光栅在光纤传感领域具有比光纤布拉格光栅和其他传感器器件更多的优点和更加广泛的应用。利用长周期光纤光栅有多个损耗峰的特性，可以用一个长周期光纤光栅实现对多参数的测量［7］。传统长周期光纤光栅传感特性的研究，都是基于紫外写入的光栅，随着一些新的长周期光纤光栅的出现，相应的传感特性的研究不断出现，特别是CO2激光写入的长周期光纤光栅的传感特性［8－10］。本文研究CO2激光器刻写的长周期光纤光栅的弯曲传感特性，试图得出一些有益的结论，为光纤光栅弯曲量传感器提供一些有益的参考。

1 弯曲特性实验

长周期光纤光栅的弯曲实验装置如图1所示。首先调节实验装置，使两个三维移动平台的X轴在同一条直线上，Y轴和Z轴保持平行，使得三维平台在移动X轴时靠向一起能完全重合在一起。然后光纤光栅从宽带光源出发，依次穿过两个三维移动平台再到光谱分析仪，刻写好的长周期光纤光栅位于两个三维移动平台正中间，调节三维平台X轴，使光纤光栅保持绷直状态。实验时，旋转转轮使圆周角度从0度依次递增，每隔40度测试一次实验数据，记录数据，绘制表格，找出实验中光纤光栅对弯曲最敏感和最不敏感方向的圆周角度，然后针对这个角度进行详细测量，弯曲量从0mm递增，每隔0．5mm测试一次实验数据，记录数据，绘制表格，对数据进行分析，得出结论。

图1 长周期光纤光栅弯曲实验装置示意图

2 实验结果与分析

利用高频CO2激光器刻写出长周期光纤光栅［9－10］，图2为刻写的长周期光纤光栅的透射谱。下面是利用该光栅进行的弯曲传感特性实验研究获得的数据与结果，以及分析和结论。

图2 高频CO2激光器刻写的长周期光纤光栅的透射谱（选择一个谐振峰）

表1 圆周角度从0°到360°依次递增40°时谐振波长与损耗幅值

由表1可以画出图3、4曲线图（如图3、图4）：

图3 不同圆周方向弯曲时谐振波长随圆周角度的变化图

图4 不同圆周方向弯曲时损耗幅值随圆周角度的变化图

通过以上从0°到360°旋转光纤光栅过程中测量出的数据，可以发现：

1）长周期光纤光栅谐振峰波长对弯曲最敏感的方向是80°和320°；2）长周期光纤光栅谐振峰波长对弯曲最不敏感的方向是0°和160°．

由以上数据，选取最敏感和最不敏感两个方向分别测量弯曲量与谐振峰波长及损耗幅值的关系。每隔0．5mm测量一次谐振峰波长与损耗幅值，总共弯曲量为3mm．

表2 最敏感方向（80°）时测量的弯曲量与损耗峰波长和幅值的数据

表3 最不敏感方向（160°）时测量的弯曲量与损耗峰波长和幅值的数据

由表2数据可以绘出变化曲线图如图5、6，表3．数据可以绘出变化曲线图如图7、8．

图5 圆周角为80°时谐振波长与光栅弯曲量的关系图

图6 圆周角为80°时损耗幅值与光栅弯曲量的关系图

图5中蓝线为线性拟合后的曲线，线性拟合公式为：

线性度：R2＝0．933；可得其弯曲灵敏度为－1．136，且线性度较好。

由图6可见，除去第一个点后曲线线性度较好，去掉第一个点后的线性拟合公式为：

线性度：R2＝0．9675，最敏感方向的损耗幅值灵敏度可达到－3．291dB，且在测量范围内，相对总的损耗幅值变化量20dB，这个值还是很显著的。

图7 圆周角为160°时谐振波长与光栅弯曲量的关系图

图8 圆周角为160°时损耗幅值与光栅弯曲量的关系图

图7为最不敏感方向160°的谐振峰波长与弯曲量的关系图，从图中可以看到，谐振峰波长随弯曲量的增加没有变化。

图8是160°时损耗幅值与弯曲量的关系图，可以发现，随弯曲量的增加，损耗幅值呈现近似线性的增加，但增加幅度较小，总变化量大约为2dB。损耗幅值与弯曲量的线性拟合公式（线性度为0．9327）：

综合谐振波长和损耗幅值的变化来看，在160°这个圆周方向上，所刻写的长周期光纤光栅的谐振波长对弯曲量的变化不敏感，这也印证了前面弯曲方向相关性的实验结果。

通过实验及分析数据得到以下结论：

1）在圆周角度达到80°时和320°时灵敏度最高。在80°时，弯曲量越大，谐振波长越小，弯曲量与谐振峰波长变化呈线性关系；弯曲量越大，其损耗幅值越小，也呈线性关系。

2）在圆周角度达到0°和160°时灵敏度最低。在160°时，弯曲量变化时，谐振波长基本不变；而且弯曲量变化时，损耗幅值越大，也呈现一定的线性关系。

3 结束语

实验研究了高频CO2激光脉冲刻写的长周期光纤光栅的弯曲特性，实验测量了弯曲量以及圆周扭曲角度下谐振波长和损耗幅值等量的变化规律，得出高频CO2激光脉冲刻写的长周期光纤光栅谐振波长的横向负载特性具有明显的负载方向相关性，在圆周0°～360°范围内，存在两个对谐振波长线性最敏感的弯曲方向，和两个不敏感的弯曲方向。利用这些结论，可以制作出性能优良的弯曲度测量传感器。

［1］饶云江，王义平，朱 涛．光纤光栅原理及应用［M］．北京：国防工业出版社，2006．

［2］王义平．新型长周期光纤光栅特性研究［D］．重庆：重庆大学，2003．

［3］Gaudron J O，Surre F，Sun T，et al．Long period grating－based optical fiber sensor for the underwater detection of acoustic waves［J］．Sensors ＆Actuators A Physical，2013，201，（10）：289～293．

［4］张黎明，张小栋，牛 杭．齿轮弯曲应力的光纤动态测试系统设计［J］．光电工程，2016，43（3）：36～40．

［5］Fei Tian，Jiri Kanka，Henry Du．Characterization of external refractive index sensitivity of a photonic crystal fiber long－period grating［J］．Chinese Optics Letters，2015，13（7）：45～47．

［6］何万迅，施文康，叶爱伦．基于长周期光纤光栅的高灵敏度温度传感方案［J］．传感技术学报，2002，36（l）：60～63．

［7］梁丽丽，刘明生，李 燕，等．长周期光纤光栅温度传感器应变交叉敏感的研究［J］．红外与激光工程，2015，44 （3）：1020～1023．

［8］Davis D D，Gaylord T K，Glytsis E N，et al．Long－period fiber grating fabrication with focused CO2laser pulses ［J］．Electronics Letters，1998，34（3）：302～303．

［9］王义平，饶云江，冉 曾，等．高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅传感器的特性研究［J］．物理学报，2003，52（6）：1432～1437．

［10］Rao Y J，Ran Z L，Zhu T．Novel Fiber－Optic Sensors Based on Long－Period Fiber Gratings Written by High－Frequency CO2Laser Pulses［J］．Journal of Lightwave Technology，2003，52（6）：1432～1437．

Bend－sensing characteristics of long period fiber gratings

JIANG Liu－qing，HU Yi－hui，JIANG Chao

（College of Physics and Electronic Science，Hubei Normal University，HuangShi，435002，China）

Long period fiber gratings were an advantage passive fiber device．They were applied in optical sensing widely．Long period fiber gratings had been written with high frequency CO2laser，and the bend sensing characteristics experiments had been finished．The experimental results showed that the bend sensitivity was highest at 80degree of circle and 320degree of circle．The resonance wavelength changed smaller with bend size increasing and the linear dependence for bend size on resonance wavelength at 80degree of circle．The bend sensitivity was lowest at 0degree of circle and 160degree of circle．The resonance wavelength had not changed with bend size changing at 160degree of circle．The dependence for gratings loss amplitude on bend size was linear at 0to 360degree of circle．Thus，long period fiber gratings could be fabricated high sensitivity bend sensor．

fiber grating sensor；long period fiber gratings；high frequency CO2laser；bend properties

TN253

A

1009－2714（2016）04－0030－05

10．3969／j．issn．1009－2714．2016．04．008

2016—06—16

湖北师范大学2015年优秀创新团队项目资助（T201502）．

江柳清（1990— ），男，硕士研究生，主要从事光纤光栅传感器方面的研究．