光纤布拉格光栅应力传感技术研究与应用

胡正文, 焦莉平, 庞成鑫, 桑 杰, 程冯宇

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)



光纤布拉格光栅应力传感技术研究与应用

胡正文, 焦莉平, 庞成鑫, 桑 杰, 程冯宇

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

介绍了光纤布拉格光栅测量应力的原理,论述了国内外光纤布拉格光栅在应力测量方面的研究与应用.分析了制备工艺、聚合物封装、化学蚀刻、复合材料封装等对光纤布拉格光栅在测量范围、测量精度、工作寿命、多路复用以及实用性方面的影响.指出了光纤布拉格光栅要在实际中得到更广泛的应用,仍需作更多的研究,找到简便易行的封装方法,从而实现更高精度、更大范围的信号检测.

光纤布拉格光栅; 应力测量; 微结构; 聚合物

光纤传感技术是感知技术的重要分支.它是以光波为信息载体,以光纤为传输媒介,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术.光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、可靠性好、传输距离远、绝缘性好、带宽大等优点,光纤可同时作为传感元件和传输媒介,容易实现多点分布式测量.

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器[1]出现以后,在光纤传感技术中得到了广泛应用.与其他光纤传感器相比,FBG传感器具有线性输出、绝对测量、构成传感网络、全光纤化等优点,因而在分布式应力测量中具有很好的应用前景.

1 光纤布拉格光栅传感原理

FBG是根据光纤的紫外光敏特性原理[2],通过高强度紫外相干光照射光敏玻璃纤芯,使光纤纤芯形成折射率沿轴向呈周期性分布,从而形成一个反射式光纤光栅.当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布拉格条件的波长将被反射,其余的波长透过光纤光栅继续传输,其工作原理如图1所示.

图1 FBG的工作原理示意

按照耦合模理论,只有满足布拉格条件的光波才能够被光栅反射,图2为光纤光栅在不同温度和压力作用下的入射谱、反射谱和透射谱.

图2 FBG在不同温度和压力作用下的光谱

其布拉格条件如下:

(1)

式中:λB——FBG的反射波长;neff——光纤纤芯的有效折射率;Λ——FBG中光栅的折射率调制周期或者栅距.

FBG反射的中心波长λB只取决于neff和Λ,当二者发生变化时,中心波长λB的变化表征为:

(2)

在实际情况中,应变和温度都会引起neff和Λ的变化,当FBG不受外力的影响,只受环境温度变化的影响时,中心波长将发生漂移,漂移量和温度变化的关系式为:

(3)

式中:α——FBG材料的热膨胀系数;ξ——FBG材料的热光系数; ΔT——环境温度变化量.

当FBG所处的环境温度恒定,只在外力场的作用下,产生应力变化量Δε,则λB也将发生漂移,漂移量与应力变化关系式为:

(4)

(5)

式中:Pe——FBG材料的有效弹光系数;P1,P2——FBG材料的弹光系数[3-6];μ——FBG材料的泊松比.

如果FBG同时受应力和温度作用,其反射中心波长的漂移量可表示为:

(6)

由式(6)可以看出,温度与应力的变化均会引起FBG反射光中心波长的改变,因而在应力测量中,首先要解决的问题是如何测量波长的变化,其次要解决温度补偿的问题.

2 光纤布拉格光栅传感技术的应用

2.1 新型光纤布拉格光栅制备工艺应用于应力测量

2.1.1 光纤布拉格光栅制备工艺的发展

光纤光栅的制备方法有驻波法、全息干涉法、相位掩模法[6-9]等.1978年加拿大渥太华通信研究中心的HILL K O等人采用488 nm 氩离子激光,用驻波法在掺锗的石英玻璃光纤中制成了光纤光栅,开启了光纤光栅发展的大门.1989年,美国联合技术研究中心的MELTZ G等人采用全息干涉法,即利用高强度紫外激光所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光,对光纤纤芯的折射率进行调制并获得光纤光栅.全息干涉法也称为横向写入法,该方法的发明使光纤光栅技术取得了突破性的进展.HILL K O等人于1993年报道了相位掩模法.相位掩模板是在石英衬底上刻制而成的相位光栅.在制备光纤光栅时,将相位掩模板放在光纤附近,紫外激光通过相位掩模板辐照光纤,在光纤上形成干涉条纹并在光纤内形成光栅[10-12].

2.1.2 新型微结构光纤布拉格光栅制备

随着对光纤布拉格光栅应力应变传感的深入研究,国内外的研究者尝试从FBG的制备工艺开始改进,提高光纤光栅应力传感器的性能.2011年7月,中国华中科技大学、武汉光电国家实验室的研究人员设计了基于FBG用于应变和温度测量的传感器.通过红外飞秒激光刻写技术,在光纤上制备出新型FBG,并通过实验研究了该FBG感应温度和应变的特性.透射谱中4个骤降的谐振峰表明了该FBG对应力变化有相似的敏感性,对温度变化有不同的敏感性.他们将800 nm飞秒激光照射在非光敏性全固体光纤上来刻写光纤布拉格光栅,并在此基础上设计了新的波长编码传感器[13-14].该设计使用的光纤是由折射率高低交替的同心圆环层构成,通过等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺制成.同时,从理论和实验上研究了光纤光栅的光谱特性和传感特性,对于应变和温度的分辨率分别是±26 με和±1.2 ℃.该FBG直径为12 mm,其折射率分布(RIP)和光纤横截面的显微镜图像如图3所示.它是复合纤芯化合物,由3.3 μm直径的低折射率的暗色核心和3.1 μm厚度的高折射率的亮环构成,相对于背景折射率的差值分别是-0.005 55和0.011 86(如图3a中的片段a和片段b所示).由图3b可以看出,该FBG总共由11个周期性交替的高折射率环(掺杂有锗)和低折射率环(掺杂有氟)同轴层构成.最里面的6个暗环和5个亮环的厚度分别是2.23 μm和2.47 μm.这两种类型的环与背景折射率的差值是-0.015 40和0.004 40.该FBG易于与标准单模光纤相熔接[14-16].

2.1.3 可调谐聚合物光纤布拉格光栅制备

2012年3月,丹麦科技大学的研究者制备出了稳定的波长可调谐聚合物FBG,以及基于双光栅温度补偿的聚合物FBG应变传感器[16-18].其中,聚合物为甲基丙烯酸甲酯.通过可调谐的聚合物FBG的应变实验发现,这种光纤光栅在小于1%时的应变范围内,中心波长线性变化量超过7 nm.应变达到1%以上时,调谐曲线趋于饱和;当变化量达到12 nm时,应变为2.25%.

用单模微结构聚合物光纤制备了双光纤光栅应变传感器,实验得到温度补偿的应变感应范围约为850 nm.FBG谐振波长与应力的对应关系如图4所示.该微结构聚合物光纤直径为180 μm,光子晶体光纤纤芯由3个六边形的格子气孔环包围.气孔直径平均为2±0.2 μm,气孔间距平均为4.8±0.2 μm[19-22].

图3 实验所用FBG的折射率分布和光纤截面的显微照片

图4 FBG谐振波长与应力的对应关系

2.2 化学蚀刻技术制作FBG传感器

2014年2月,葡萄牙和德国的研究者利用化学蚀刻技术制备出超高灵敏度的FBG应变传感器[23-24].实验得到基于波长和半高宽度(Full Width Half Maximum,FWHM)的最大灵敏度分别是104.1 pm/με和61.6 pm/με.该传感器的分辨率可以达到700 nε.实验中,使用受激准分子激光器将一个3 mm的FBG写入光敏单模光纤(SMF)中.传感探头连接在光栅光纤末端,并将这个光纤末端多余的部分切掉,仅保留2 mm未处理的光纤光栅.然后对光纤末端的光纤光栅进行湿化学腐蚀,将其浸没在40%氢氟酸(HF)溶液中55 min,光纤末端逐渐变细成为锥形光纤,最后的光纤末端直径控制到约12 μm,整个光纤长度控制到4.5 mm.这样处理后,光栅的反射光谱的布拉格波长漂移约10 nm,而且半高宽度从0.36 nm增加到6.03 nm,这表明化学蚀刻技术显著地提高了传感探头对应变的响应敏感度[25-28].

2.3 复合材料封装的光纤布拉格光栅传感器

2015年3月,新加坡南洋理工大学的研究者设计了一种新型的应用于现场应力测量的FBG传感器,他们使用复合材料实现对FBG传感器的封装,利用液体压力差的原理测量应力.通过用量水管做应力灵敏度的标定实验,得到该传感器系统灵敏度为1.636×10-2MPa-1.该结果表明,FBG传感器对于水位上升的响应是线性的.实验中使用的FBG传感器的封装材料是基于树脂的层叠复合应用材料.上述传感器结构如图5所示,主体是一个不锈钢的中空圆柱体,一端是封闭的,另一端用一个帽盖封住.帽盖上有两个钻孔,其中有一个直径为1 mm的钻孔位于盖帽的圆心处,它被横截面积相等的圆板分隔成两个部分.

在图5的右侧部分,光纤光栅的一端牢固地粘贴到圆板圆心处,另一端被固定在帽盖圆心上,并且平行于圆柱的轴心.光纤沿着帽盖和圆板的轴心穿过钻孔.另一个直径1.5 mm的钻孔在帽盖的中心轴偏移2.5 mm处,并与直径1.4 mm的导管相连.中空圆柱体的左侧部分填充稳定的惰性硅胶.圆柱右侧空的部分和导管填充满惰性硅油.这样可以避免光纤纤芯直接接触到化学活性液体[29-31],从而很好地保护了光纤.

图5 FBG应力传感截面示意

3 结 语

目前,国内外对于FBG应力传感器的研究主要集中在两个方面,一是光纤布拉格光栅的制备技术,包括微结构的布拉格光栅的制备、化学蚀刻技术处理的布拉格光栅的制备等;二是光纤光栅应力传感器的封装材料,如聚合物材料、树脂固化的层叠复合材料等.通过光纤光栅制备技术和封装材料技术的改进,光纤光栅应力传感器在测量范围、测量精度、工作寿命等不同方面的性能得到了提高,扩展了光纤光栅应力传感器的应用领域和范围.同时,部分研究成果对光纤光栅应力传感器在应力测量中的温度与应力交叉敏感的问题提出了合理的解决方案.在未来的研究中,光纤光栅应力传感器的研究应该与实际应用场景相结合.

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(编辑 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

庞成鑫(1979-),男,博士,教授,安徽滁州人.主要研究方向为硅光子器件,光传感技术,智能电网光传输.E-mail:chengxin.pang@gmail.com.

上海市高校青年东方学者项目(QD2015044);上海市浦江人才A类项目(15PJ1402700).

TP212.44;TN253

A

1006-4729(2017)01-0025-05