基片式光纤光栅传感器加速度试验研究

杜翠翠，孔德仁，徐春冬

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210014）

引言

光纤光栅传感监测是现代常用的一种飞机结构监测技术，光纤传感具有体积小、质量轻、耐高温及腐蚀、抗电磁干扰、远距离实时在线传感等优点[1-3]，可以粘贴到复合材料表面，如机身、机翼蒙皮处，实时监测飞行器的温度、应变、振动等情况，为飞行器健康状态的判别提供重要的依据[4-6]。

裸光纤光栅的直径只有125 μm，在外载荷的作用下很容易发生破损[7]。因此，在工程实际应用中，光纤光栅需要进行封装才能使用。基片式封装是FBG 传感器设计的典型形式，该形式封装的传感器具有可标定、易批量、线性度高、寿命长等特点[8-9]。郭永兴[10]等人研究了不同封装方式的光纤光栅传感与温补特性，发现光栅在表面式全部粘贴和两端粘贴封装下的感测特性均良好，自差分温度补偿效果优于裸光纤光栅，两端粘贴封装的温度补偿效果更好。Yi Kuang[11]等人总结了FBG 应变传感器不同金属封装方法的优缺点。本文研究的光纤光栅传感器采用铝合金基底封装，具有高灵敏度、重复性好、易标定等特点。

目前，典型的波长解调方法有匹配滤波法、非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪法、边缘滤波法、光谱检测解调技术、可调谐Fabry-Perot(F-P)滤波器法等[12]。卜祥银[13]采用匹配光栅法来实现对FBG传感器采集信号的解调，但匹配光栅法自由谱范围比较窄，不适合多通道的光纤光栅波长解调。丛蕊[14]等人将可调谐Fabry-Perot（F-P）滤波器法作为分光器件应用于高光谱遥感，证明了该解调方法对面向高光谱遥感应用的的结构设计和波长校准具有指导意义。但是，可调谐滤波器件的核心部件为电致伸缩的压电材料（如PZT），耐震性能差，不适合机载工况振动较大的场合。本文采用的光谱检测解调系统具有结构紧凑、精度高等特点，解调速度可以达到5 kHz，波长检测精度可达±5 pm。而且，本系统中的体相位光栅光谱模块小巧，没有压电材料及活动部件，能够满足机载抗振需求。

因此，根据机载抗振的需求，本文设计了一种基片式铝合金封装光纤光栅应变和温度传感器，开发了适用于机载复杂环境下的波长解调系统，即基于体相位光栅和线阵光电探测器的光谱检测解调技术，实现对光纤光栅中心波长的反射波长的微小偏移量进行精确测量。另外，为了测试光纤光栅传感器在受到加速度载荷下的传感性能，对所设计的铝合金封装式光纤光栅传感器按照GJB150.15A“加速度试验”要求和方法进行加速度性能测试。

1 基片式光纤光栅传感器的设计及波长解调传感特性

1.1 FBG 传感器铝合金基底封装设计

图1 为设计的基片铝合金封装式光纤光栅应变和温度传感器外观和尺寸图。考虑到粘接点位置、灵敏度等参数，FBG 应变和温度传感器的尺寸大小分别为36 mm×9 mm×1 mm 和37.8 mm×14.6 mm×1 mm。光纤光栅应变传感器的应变测量量程为−2 500 με～3 000 με，光纤光栅温度传感器的测温范围为−55 ℃～70 ℃。基底材料选用AlSi10Mg合金材料。封装过程如下：用酒精清洗裸光纤光栅部分和两端的光纤，为增加胶黏剂的附着性，先后用砂纸和丙酮打磨和清洁凹槽位置，将裸光纤光栅粘贴嵌入至封装基底的凹槽内，采用配比均匀且适量的的环氧树脂胶（乐泰E-20HP）涂覆在粘贴区域，并固化24 h。这种铝合金封装方式的FBG 传感器直接粘贴在飞机关重件部位的复合材料表面，当复合材料受到外界环境影响时，复合材料的变形通过胶黏剂传递到光纤光栅传感器，通过测量光纤光栅中心波长的变化来测得外界物理因素。

图1 铝合金封装式光纤光栅应变和温度传感器设计Fig.1 Design of FBG strain and temperature sensor with aluminium alloy package

1.2 FBG 传感器传感机理及波长解调技术

1.2.1 FBG 传感器的传感原理

图2 为光纤光栅传感器的传感原理图。光纤光栅是由纤芯、包层和涂覆层组成，其本质是一段纤芯折射率周期性变化的光纤，当一束宽光谱经过光纤光栅时，由于光纤光栅波长的选择性作用，满足布拉格条件的光被反射回来，其余的光束则透射过去不受影响，其中反射光谱的峰值即为光纤光栅的中心波长[15]。

图2 光纤光栅传感原理示意图Fig.2 Schematic diagram of FBG sensing principle

1）光纤光栅应变传感器的传感机理

根据光纤耦合模理论，光纤 Bragg 光栅反射光的中心谐振波长取决于光栅的周期Λ 和纤芯的有效折射率neff，光纤Bragg 光栅的谐振方程为

式中：λB为光纤Bragg 中心波长；neff为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。

由于光栅周期的伸缩和弹光效应的存在，应变使得FBG 传感器中心波长发生偏移，其公式为

式中，ΔΛ为光栅在应变下的弹性变形量。

2）光纤光栅温度传感器的传感机理

当光纤光栅处于自由状态时，或其均匀压力场或轴向应力场恒定时，温度引起的热膨胀效应和热光效应会共同导致布拉格光栅波长发生变化。其中，热膨胀效应改变光栅周期，热光效应使光栅区域的折射率发生改变。当温度变化时，光栅周期的变化为

式中，α为材料的膨胀系数

热光效应引起的折射率的变化为

式中，ξ为热光系数，表示折射率随温度的变化率。

以上两种效应引起的光栅波长的变化为

式中，KT为温度灵敏度系数。

当光纤光栅受应变或周围温度发生变化时，将导致光栅周期 Λ和有效纤芯折射率neff发生变化，从而产生光栅信号中心波长的漂移。波长解调设备通过监测光纤光栅反射波长的变化情况，即可获得 监测点上光纤光栅的应变和温度。

1.2.2 FBG 传感器波长解调技术

波长解调原理如图3所示。宽带光源（BBS）发出的光经过光耦合器后入射到光纤光栅，满足布拉格波长条件的光被光纤光栅反射后再次通过耦合器进入光谱检测解调系统，反射光源经过准直透镜变为平行光照射到体相位光栅，根据体相位光栅的分光作用，不同波长的光束经过体相位光栅汇聚到凹面反射镜，进而投射成像到线阵光电探测器上。当光栅受到多种外部环境因素（应变、应力、温度等）影响时，光栅周期或折射率将发生改变，引起反射波长的变化，进而衍射角发生变化，成像到线阵光电探测器上的位置也会相应改变。通过处理电路采集出线阵光电探测器输出的像素电压（或电流）信号，推算出光纤光栅传感器的中心波长值，并通过数据处理推算出监测位置的应变或温度等物理量。

图3 波长解调原理图Fig.3 Schematic diagram of wavelength demodulation

2 加速度试验及分析

2.1 测试方案

为了测试所设计的FBG 传感器在实际使用环境中是否可以承受加速度载荷以及相应的传感性能。本文按照GJB150.15A“加速度试验”的要求和方法，采用中国电子科技集团公司第18研究所的离心机装置，对选取的2 只光纤光栅应变传感器（FBG-S1，初始中心波长1 538.368 nm和FBG-S2，初始中心波长1 540.265 nm，应变灵敏度均为0.5 pm/με）和2 只光纤光栅温度传感器（FBG-T1，初始中心波长1 547.854 nm 和FBG-T2，初始中心波长1 550.897 nm，温度灵敏度均为33.5 pm/℃）在X向、Y向、Z向的6 个方向进行了不同试验量值的加速度试验。不同方向的试验量值如表1所示。

表1 加速度性能试验量值Table 1 Test values of acceleration performance

光纤光栅传感器的加速度试验装置如图4所示。为了比较传感器在试验前后的性能，4 只FBG 传感器分别需要在加速度试验前、试验中、试验后进行性能测试和外观检查。

图4 光纤光栅传感器离心机加速度试验装置图Fig.4 Diagram of acceleration test equipment for FBG sensors based on centrifuge

加速度试验详细测试步骤如下：

1）将4 只FBG 传感器分别接入至光纤解调仪的不同通道，并连接至外部的数据采集设备。在试验开始前，对处于稳定状态（温度25 ℃，相对湿度不大于80%且不施加任何外力）下的4 只FBG传感器持续测量2 min，并记录其波长数据；若2 min 内波长偏移量不超过±50 pm[16]（最大值与均值的差值和最小值与均值的差值），且光强变化不超过0.3 V，则光纤光栅传感器性能正常。

2）使离心机达到向前2 g，向后6 g，向上9 g，向下3 g，向左4 g，向右4 g 的加速度值，每个方向保持1 min，进行性能检测并记录结果，若光纤光栅传感器在试验过程中波长输出无跳变（波长偏移不超过±2 nm，光强范围为1.3 V～4.003 V）、无中断，则光纤光栅传感器通过加速度试验。

3）试验结束后，对4 只被测FBG 传感器的外观（传感器是否有脱落、损伤等）进行检查，并重复步骤1）对被测试件进行常态性能测试。

3 试验结果分析

3.1 试验前测试结果

表2 列出了被测传感器在2 min 内的波长和光强变化量。

表2 4 只光纤光栅传感器在加速度试验前波长、光强变化Table 2 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors before acceleration test

由表2 可以看出，4 只光纤光栅传感器在2 min常态性能测试中波长偏移量均未超过±50 pm（最大偏移量为−1.809 pm），且光强变化未超过0.3 V（最大偏移量为0.0212 V），则证明设计的4 只光纤光栅传感器满足常态性能测试要求。

3.2 试验中测试结果

图5～图10 分别为4 只FBG 传感器在加速度试验中前、后、上、下、左、右6 个方向的波长、光强测试结果。可以看出，4 只FBG 传感器在受到不同加速度值时，波长和光强会发生不同程度的变化。其中，波长偏移量最大波动为±7 pm，光强均在1.3 V～4.003 V 内。即4 只FBG 传感器在加速度试验过程中满足输出无跳变、无中断的要求。

图5 FBG 传感器在加速度试验“前方向”测试波长和光强Fig.5 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(front-direction test)

图6 FBG 传感器在加速度试验“后方向”测试波长和光强Fig.6 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(rear-direction test)

图7 FBG 传感器在加速度试验“上方向”测试波长和光强Fig.7 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(up-direction test)

图8 FBG 传感器在加速度试验“下方向”测试波长和光强Fig.8 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(down-direction test)

图9 FBG 传感器加速度试验“左方向”测试波长和光强Fig.9 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(left-direction test)

3.3 试验后测试结果

表3 列出了4 只FBG 传感器在加速度试验后的2 min 内测试波长和光强变化。可以看出传感器在加速度试验后2 min 常态性能测试中波长偏移量均未超过±50 pm（最大偏移量为−1.206 pm），且光强变化未超过0.3 V（最大偏移量为0.021 2 V）。

表3 4 只FBG 传感器在加速度“试验后”波长和光强变化Table 3 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors(after acceleration test)

试验结果表明：在加速度试验前后的 2 min 性能测试中，波长偏移量均未超过±50 pm，且光强变化未超过0.3 V。在加速度试验中，波长偏移量最大波动为±7 pm，光强均在1.3 V～4.003 V 范围内，且试验后传感器外观良好，无脱落情况。验证了所设计的光纤光栅传感器具备承受加速度载荷的能力，且承受载荷期间传感性能良好。

4 结论

本文根据FBG 传感器机载抗振的需求，设计了一种基片式铝合金封装光纤光栅应变和温度传感器，按照GJB150.15A“加速度试验”要求和方法，对选取的4 只FBG 传感器进行了加速度性能测试。试验结果表明，在加速度6 个测试方向试验中，波长偏移量最大波动为±7 pm，光强均在1.3 V～4.003 V 内，满足输出无跳变（波长偏移不超过±2 nm，光强范围在1.3 V～4.003 V 内）、无中断的要求。说明了所设计的FBG 传感器具备承受加速度载荷的能力，且承受载荷期间传感性能良好，可应用于载机关重件结构的相关物理参数的测量。