涂覆层对地质用光纤光栅应力特性影响研究

摘 要：光纤布拉格光栅（FBG）刻制后，表面会进行二次涂覆来抵抗外界干扰。但是涂覆层会对其应变传感造成干扰，使传感结果失真。为了研究应力传感变化规律，建立对比试验，研究有无涂覆层的FBG中心波长随应力变化的规律。可以得到无涂覆层的FBG相对于有涂覆层的FBG的应变灵敏度发生了变化，应变灵敏度降低，FBG应用到传感器之前需要对应变灵敏度进行重新检测或是补偿。

关键词：涂覆层；光纤布拉格光栅；影响

1 概述

光纤布拉格光栅（FBG）由于其远距离传输、长时间监测、响应速度快以及传感精度高的优点，适用于地质监测以及传感领域。与此同时，FBG应力传感还可以进行地震监测、矿产勘探、油田监测等方面应用。FBG表面涂覆有聚酰亚胺等材料抵抗外界环境干扰，但是由于材料性质不同会导致光纤表面与涂覆层之间存在微小应力，导致传感精度降低。与此同时，目前FBG传感器多是表面粘贴式安装在被测物体表面，也就是说，FBG传感结构是由FBG、涂覆层、传感器结构、被测表面形成的。涂覆层产生的微小应力会对FBG传感产生影响。本文通过建立对比试验，以有涂覆层的FBG以及无涂覆层的FBG为对比材料，研究FBG应力传感规律变化。

2 实验原理

2.1 FBG的制作

实验选出预备光纤，即可以穩定应力传感的普通光纤，中心波长为1545nm。随后将光纤放入载氢压力罐中进行10MPa，240小时的载氢测试，增加光敏性来方便刻制光栅。载氢之后，进行剥除约15-20mm涂覆层，预留照栅位置。如图1所示，。在实验室现有光纤光栅的制作工艺基础上，完成光纤光栅运用准分子激光器进行光纤光栅的刻制的刻制。通过相位掩模技术，用紫外激光通过掩模板的±1级衍射光形成的干涉光照射光纤裸纤，同时用光谱仪监测其反射光谱技术参数。

2.2 FBG的二次涂覆

如图2所示，根据FBG的长度以及厚度设定三维工作平台的参数，保证FBG二次涂覆快速均匀。随后将预留的光纤两端装卡在卡具上，调整应力装置为0N，保证涂覆过程中FBG处于零应力非张紧的状态。将装满涂覆材料的涂覆槽安装在恰当的位置，进行二次涂覆。之后调整紫外激光的角度，让其对准光纤的位置，进行有效固化。要注意，在涂覆过程中，观察涂覆层干燥情况调整电烙铁的距离，不能过近，导致光纤一端张紧程度过高造成光纤断裂。

2.3 FBG应力实验

在实验中应用拉力机提供对光纤的拉力，如图3所示，将有涂覆的FBG以及无涂覆的FBG试验样品缠绕在拉力机两端。随后将光纤一端与光谱仪相连，观察FBG中心波长随着应力变化漂移的现象。

2.4 实验结果分析

根据图3进行的实验，以0N为初始值，0.25N为跨度，当拉力达到4.5±0.1N时，释放应力，重新回到0.5N左右，共采取34个FBG的中心波长变化值，随之得到应力报告。图4、图5为无涂覆层的FBG以及有涂覆层的FBG应变传感曲线。

从曲线图可以看到，涂覆层的存在对于FBG传感曲线的直线度以及传感重复率没有影响。曲线拟合得出中心波长和应力的关系式分别为：

可以看出无涂覆层的FBG相对于有涂覆层的FBG的应变灵敏度发生了变化，应变灵敏度降低，说明涂覆层会对FBG传感特性发生了影响。

3 结束语

由于对比实验研究涂覆层对光纤光栅应力特性影响，得出涂覆层会对光纤光栅应力传感起到降低作用，所以在涂覆光纤光栅应用到传感器中时，需要对光栅进行测试，或者需要在批量生产时，对于涂覆光纤光栅应变灵敏度做出相应的补偿机制。在此，需要对1545nm的FBG传感灵敏度进行±0.008之间的补偿，从而提高光纤光栅的传感精度。

作者简介：米亭（1993-），女，汉，河北省赞皇县，在读研究生，河北地质大学，研究方向：勘查装备智能化与网络化。