光纤温度/应变复合传感器及其在800℃高温下的应用

柴葳，郝庆瑞，宝剑光，2

1.中国飞机强度研究所，陕西西安710065

2.英国诺丁汉大学，英国诺丁汉NG72RD

近年来，随着高超声速飞行器的快速发展，对地面结构热强度模拟试验技术提出了更高的要求。出于安全原因，必须进行大量且严格的地面试验，以评估这些高超声速材料和结构的隔热性能和位移/应变响应。作为结构热强度试验中不可或缺的一环，高温下的物理量（如位移、温度、应变、热流等）测试技术也随之成为研究的重点。特别是在高温环境下的应变测量更一直以来是困扰相关研究人员的难题[1,2]。传统上，使用黏结或焊接在测试样品上的传统电阻应变仪测量曝露于外部环境的材料的高温应变。然而，这种方法受到应变片丝栅的耐温极限和粘贴剂的耐温能力所限制，在工程试验中仅实现了平面金属基底最高温度800℃的高温应变，且误差较大，标准梁上安装的应变计测量精度仅为20%～30%[3,4]。

光纤光栅传感技术就是以利用反射波长对温度、应变和压力等物理量的敏感特性的光纤传感器为基础的一种新型传感技术。20世纪70年代末，K.O.Hill等利用驻波写入法制作了第一根光纤光栅。但是直到20世纪80年代末，随着W.W.Morey和G.Metltz为首的研究学者们不断改进光纤光栅的写入装置与工艺，迅速提升了光纤光栅的制作效率、降低了生产成本[5]。同时他们首次提出光纤光栅对外界环境施加的温度、应变表现出规律性敏感的相关研究，挖掘了光纤光栅作为传感器的潜在应用价值，由此开辟了光纤光栅应用于传感方面的新领域。光纤光栅从而迅速成为国内外学者的研究热点。光纤传感器作为新一代的智能传感技术，具备质量轻、体积小、抗电磁干扰、便于组网、耐高低温、易于嵌入且与复合材料纤维亲和性兼容性好等诸多优点，近年来被广泛应用在针对复合材料结构的温度、应力等多种参数的在线监测领域[6-10]。

本文针对地面热强度试验需求，引入了一种可实现温度和应变同步测量的集成光纤传感器，首次在实际工程环境中使用该新型结构开展了800℃高温下的温度应变实时同步测量可行性探索研究，并将试验与相同条件下的数字图像相关法测得的应变值进行了对比。

1 光纤光栅传感器

光纤沿径向从里到外分为纤芯、包层和涂履层三部分，光纤光栅是用特殊的紫外光照射工艺，光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰而形成的一种光纤无源器件，光纤光栅能将满足一定波长条件的入射光反射。温度和应变的变化会引起光纤光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化，通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是光纤光栅测量温度和应变的基本原理。

1.1 光纤光栅传感器原理

光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏特性，使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，从而导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。当光进入光纤时，光纤光栅会对与光栅相匹配的特定波长的光进行反射，而对其他波长的光进行透射。光纤光栅传感技术就是利用反射波长对温度、应变和压力等物理量的敏感特性并以此为基础的一种新型传感技术，其原理如图1所示。这种传感器的缺点在于单一传感器情况下无法解耦应变与温度。

图1 布拉格光纤光栅传感器工作原理Fig.1 Working principle of Bragg fiber grating sensor

当FBG 传感器处于自由状态，不受外力的影响，只感应外界温度的变化时，假定光纤光栅的中心波长为λB，当外界温度变化为ΔT时，根据光纤光栅温度传感原理可知：

1.2 FP光纤光栅传感器原理

光纤FP腔是在光纤内制造两个反射层，形成一个具有一定长度的微腔，光束在两个反射端面发生反射后原路返回，相遇并发生干涉。当外界压力或位移等参量发生变化时，造成微腔长度的变化，从而引起干涉信号的变化，光纤FP腔就是以此实现对于外界参数的传感，其结构如图2所示。

图2 非本征光纤光栅传感器Fig.2 Non-intrinsic grating fiber optic sensor

将含FP腔的光纤固定在待测基体的表面，当待测基体出现形变时，连接部会带动传感器的腔长发生相应的变化，同时传感器的干涉光谱上也会出现干涉峰峰值的波长移动。假定传感器的测量标距为L，初始的FP 腔长为l，由外界形变引发的腔长变化为Δl。根据FP 传感器的双峰解调原理，设λ1，λ2分别为FP 干涉峰的相邻两个波峰的峰值波长。根据上述描述可以得到方程组（2）：

由于解调设备具备针对FP 干涉峰相邻波峰的实时追踪以及实时保存的功能，则通过上述方程式可以计算求得外界的形变变化量，再通过与之前未变形的标定腔长进行比较即可得出相对形变。

2 温度-应变复合传感器

2.1 复合传感器工作原理

根据以上分析，布拉格光纤光栅传感器和FP光纤传感器都存在着温度和形变耦合问题，在此结合两者生成一种复合传感器，如图3所示。该传感器将FBG传感器置于FP腔中自由伸缩端，使其可自由伸缩膨胀，仅受温度影响产生反射波长偏移。其次将FBG的一端设置为高反射层，与腔体另一端光纤形成FP 光栅光纤传感器，该FP 传感器依靠高温胶将两端固定在试验件上，可随试验件形变产生应变，同时通过FBG测量所得的温度再对光纤自身膨胀量进行修正，达到准确测量应变的目的。通过复合传感器实现了温度和应变的解耦测量，可针对同一测点实现温度与应变的同时测量。

图3 带有FP腔的光纤FBG传感器Fig.3 Fiber optic FBG sensor with FP cavity

2.2 复合传感器制作安装工艺

本课题中制作布拉格光纤光栅传感器的方法为相位掩模法即利用光的衍射原理，将同一束光分为两个部分且两部分的能量、功率完全相同。两束光经过干涉，产生相同强度的明暗条纹，矫正折射率的变化。在石英衬底上同时结合全息曝光、电子束刻蚀，做出相应的相位光栅，原理图如图4所示。

图4 相位掩模法Fig.4 Phase mask method

非本征FP传感器的制作方法为：由两段切割平整的单模光纤，同轴的封装在一段特种管道内而成，一般是封装在石英毛细管中。在两段裸光纤端面间的距离精确调整后，采用胶黏或者CO2激光焊接的方式，将裸光纤和石英毛细管进行固定。图5为传感器各个部分的显微电镜图。

最后将金属试件的表面打磨后用酒擦拭干净，将准备好的高温FP-FBG传感器粘贴于金属试件中心位置。粘贴方式如图6所示。

由于试验时采用的高温胶固化后，用于预先固定光纤的高温胶带不便于取下，试验时将其保留在试件表面。

3 工程验证试验及可行性分析

3.1 试验过程及数据

在辐射加热环境下，对传感器的考核分为对单一试验件上同一传感器进行重复性试验测量，即在传感器反复使用未损坏的前提下，针对同一试验件进行重复试验；和试验件材料相同的不同试验件不同传感器进行测试比较。

图5 传感器各个部分的显微电镜图Fig.5 Microelectron microscopy of the various parts of the sensor

图6 FP-FBG 传感器粘贴方式示意图Fig.6 FP-FBG sensor paste pattern diagram

试验中温度测量的比对如下，首先对不同试验件上的热电偶和FP-FBG所测得的温度进行对比，如图7和图8所示。其中图7 为第一件FBG 与热电偶温度对比数据，图8为第二件FBG与热电偶温度对比数据。

图7 第一件FBG与热电偶温度对比数据Fig.7 The first FBG and thermocouple temperature comparison data

图8 第二件FBG与热电偶温度对比数据Fig.8 The second FBG and thermocouple temperature comparison data

图9 两件温度-应变比数据Fig.9 Two temperature-strain ratio data

试验中，应变随温度变化的规律如图9所示，其中SU1为第一件FP 传感器应变测量结果与第一件FBG 传感器温度测量结果的对应关系；SU2为第二件FP传感器应变测量结果与第一件FBG传感器温度测量结果的对应关系。

再在试验件P3 上进行两次重复试验，以对比FP-FBG传感器的重复性能，其测量结果如图10所示。两次重复试验中温度-应变的变化如图11所示。

3.2 数据结果分析

3.2.1 温度测量对比

以靠近FP-FBG 传感器的热电偶作为测温的标准，检验传感器的测量准确性。在此，分别对同一次试验中的三个试验件进行分析，即在稳态环境中，比对热电偶与光纤光栅传感器的测量结果；另外在同一试验件上进行重复性试验，即分析两次相同条件试验结果。

图10 两次温度测量重复性曲线Fig.10 Double temperature measurement repeatability curve

图11 两次重复性试验的温度-应变比数据Fig.11 Temperature-strain ratio data for two repetitive tests

表1为不同试验件的测量分析，这里由于仅有右上方的小板热电偶点受到温度控制，其他小板上的温度只是客观测量结果，同时考虑到加热区域存在不均匀性，因此光纤光栅传感器仅于自身小板上的热电偶进行对比，而不进行不同小板之间的交叉对比。P1、P2的试验件规律为在200℃的测量精准度最高，400℃以上的测量精准度基本处于5%左右。以上测量误差可能与光纤光栅传感器的灵敏度标定有关。

表1 不同试验件测温比较Table 1 Comparison of temperature measurement of different test pieces

第一次试验后，P1 试验件与P2 试验件的传感器折断，由此失效，所以重复性试验仅针对P3 试验件进行分析。表2 为两次重复性试验结果。在此选择P3试验件上焊接的热电偶为控制热电偶，撤出P1、P2试验件，在此P3试验件的加热均匀性基本得以保证，FBG传感器测量为客观测量温度。由表2可知传感器在未损坏的前提下温度测量的重复性非常好，除去100℃时测温误差较大，其他测温误差基本在5%的范围内，以上测量误差可能由传感器的温度标定而引起。

表2 相同试验件重复性测温比较Table 2 Comparison of repeated temperature measurements of the same test piece

3.2.2 应变比对

本次试验的应变测量数据见表3。根据表3 提供数据绘制温度-应变曲线，如图12 所示。由图12 可见传感器测量的应变随温度的变化一致性良好。

表3 温度-应变对应数据Table 3 Temperature-strain correspondence data

4 结论

通过以上试验实现了热强度试验中同一点温度应变的同时测量，建立被测点温度、应变的对应关系，较传统应变计测试应变、热电偶测试温度的方法，降低热电偶和应变计不处于相同测试点，所带来的误差。

其次在光栅光纤传感器的安装方面，粘贴剂既需要起到将传感器固定在基地表面的作用，无须考虑粘贴剂本身特质，如传递应变的准确性、温度造成蠕变、绝缘性能随温度的改变等。粘贴面积较小，无须大面积的底胶铺设，安装方法简单，安装周期短。

使用石英作为制作光纤材质，采取镀金工艺制作光纤反射层，并通过合适的高温退火工艺，可使传感器的使用温度提升到800～1000℃。这使高温应变的测量有了除电阻应变计外的新的接触式测量方法，且该测量方法较电阻应变计测量应变有安装简单，安装范围小，无须粘贴剂传递应变等优点。

原理样机验证结果表明传感器测试重复性良好，温度测量准确性较高，800℃环境下传感器测量一致性良好。但传感器在制作过程中由于多次淬火，镀金光纤部分较为薄弱，光纤在高温下工作时容易出现断裂现象，后续工作将着重研究并提高该测试技术的工程应用稳定性和重复性。