基于π相移光纤布拉格光栅的超灵敏超声传感器研究

郭古青,尹梦科,于隽雅,邱选兵,李传亮

(太原科技大学 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心;应用科学学院,太原 030024)

传统的超声波传感器是基于锆钛酸铅的压电陶瓷(Piezoelectric ceramics,PZT)，其灵敏度虽高，但由于谐振效应导致其可探测的带宽较窄[1].而光纤传感器具有灵敏度高、重量轻、体积小和带宽较宽等特点，与传统PZT传感器相比，更适于集成嵌入到结构部件中，且不受电磁干扰和腐蚀的影响，从而提高了光纤传感器的适用性和应用范围[2].光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器作为一种新型的光纤传感器，应用潜力巨大，目前已逐渐成为PZT传感器的替代品，在超声传感领域引起了广泛的关注[3].

FBG光纤传感器的研究已持续30多年，为了适用于各种各样的新型应用场景，许多新的方法和技术仍然在不断发展[4].如HE等使用压电陶瓷和光纤布拉格光栅的多点电压传感系统证明了电网多点电压实时监测的可行性[5].BALL等采用压电陶瓷驱动法非线性的调节FBG的波长，但可调谐范围有限[6].PEREZ等提出一种匹配解调系统，利用FBG波长具有微小差别的2个FBG分别作为匹配和检测FBG，成功检测到声发射信号，但类似的常规FBG反射谱宽通常在0.2～0.3 nm，不能充分发挥窄线宽激光器的精密波长调谐能力[7-8].

π相移光纤布拉格光栅(π-Phase-shifted Fiber Bragg Grating,πPS-FBG)作为一种典型的非均匀周期光纤光栅，它是在光纤布拉格光栅的栅区特定区域引入相移量，从而在其反射谱阻带中打开带宽极窄的透射窗口[9].这种独特的光谱特性，使其在超声检测等动态信号的传感中具有很好的应用前景.如WU等采用2个级联的πPS-FBG作为声探测传感器，超声检测灵敏度比FBG传感器提高了30 dB，同时为了消除光功率噪声，在提髙检测信号振幅的同时，采用平衡探测器同时检测反射光和透射光来消除超声传感系统中的主要噪声[10].WANG等用相移光栅搭建了玫瑰花形和阵列式超声传感网络进行超声检测[11]，对兰姆波在复合材料层板上的全方向传播进行了探索[12].SRIVASTAVA和DAS总结了πPS-FBG传感器比传统的光纤布拉格光栅传感器在灵敏度和解调方法等各方面的优越性[4]，进一步说明了πPS-FBG作为传感器的良好应用前景.

目前利用激光探测超声的方法较多，但均存在成本高、设备复杂或适用性差等问题，基于πPS-FBG的激光超声方法有望突破以上限制，但研究尚处于起步阶段，相关研究成果较少，所以本文拟采用πPS-FBG作为传感元件，通过研究不同程度应变作用下光栅中心波长位移量、探测灵敏度等特性，设计一种由πPS-FBG和可调谐分布式反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器构成的低成本、小型化、适用极端环境的πPS-FBG超灵敏激光超声传感器.

1 πPS-FBG传感原理

相移光纤布拉格光栅是一种分布在光纤中的布拉格反射器，在结构上只是在光纤纤芯中周期性地改变一定长度的折射率.

如图1所示，πPS-FBG在周期结构的中心引入了π相移跳变，这导致πPS-FBG反射光谱中出现一个狭窄的光谱缺口；πPS-FBG反射光谱中形成的光谱缺口位置即为布拉格波长

λB=2neffΛ0,

(1)

式中，neff为纤芯有效折射率，Λ0为光栅周期.当πPS-FBG受到超声波冲击时，光纤所受的机械应变会通过弹光效应改变光栅周期和光纤折射率，使布拉格波长发生偏移；因此，通过监测πPS-FBG的谱移就可以得到所受应变，所以在进行应变测量时，要着重检测πPS-FBG反射光谱中心波长的位置变化情况.

对于光栅的中心波长的变化[13]

(2)

式中，λB表示光栅中心波长，ΔλB表示光栅中心波长变化量，LB表示光栅长度，ΔLB表示光栅长度的变化量，ρe表示弹性光学系数；热光系数用αn表示，热膨胀系数用αΛ表示.当忽略温度影响时，(αn+αΛ)ΔT不再存在，(2)式可化成

(3)

因此，通过监测超声波引起的πPS-FBG传感器反射光谱中心波长的位移量ΔλB则可以表征出光栅所感应的应变大小，进而实现监测超声波变化的功能.

2 πPS-FBG超声传感器结构及解调原理

超灵敏超声传感器的系统结构图如图2(a)所示，为了提高探测信号的强度和灵敏度，本文采用了激光光源解调法.由可调谐分布式反馈激光驱动板驱动1 550 nm激光器产生光源，光源通过光纤分束器进入πPS-FBG，光栅感应到应变时反射光谱中心波长会发生偏移，承载着外部物理信息的反射光谱信号被平衡光电探测器(Balanced photodetector,BPD)测量，把外部应变变化量转化为电信号进行数据收集.

激光光源解调法是利用可调谐分布式反馈(Distributed feedback,DFB)激光器等光源对光栅波长进行解调的方案，根据光电探测器得到的光栅反射或透射光功率以电压漂移的形式表示超声波信号，可表示为[14-15]

VS=ΔλBGRDI,

(4)

式中，VS为探测交流信号电压，G为光栅光谱的斜率，RD为光电探测器的响应因子，I为输入激光功率.探测信号电压与光栅光谱斜率以及输入激光功率成比例关系，因此可以采用具有陡峭光谱斜率的πPS-FBG作为超声应变敏感器件来提高探测信号的强度和灵敏度.

图2(b)中阴影部分表示πPS-FBG的反射光谱与可调谐激光光谱的重叠区域，当πPS-FBG接收到超声信号时，光栅感应到应变折射率会改变，其中心波长随之发生偏移，从而导致光谱重叠面积改变，阴影部分面积的变化即为传感器输出电压信号的变化.在测量之前，可调谐激光器的中心波长应调谐到光谱的准线性范围，即πPS-FBG反射光谱左瓣3 dB点斜率最大处，此时可以更灵敏的测量共振光谱的微小变化，可调谐激光技术提供了更好的测量灵敏度，适用于超高分辨率动态应变测量[16].

3 πPS-FBG超声传感器的静态特性

3.1 实验装置与方法

为了测试πPS-FBG的静态特性，以及其相比传统FBG的灵敏度优越性，按图3所示搭建了实验系统.激光光源部分由宽带光源和可调谐分布式反馈激光器组成；压电陶瓷管激励部分由信号发生器和高压放大器组成；信号检测部分由压电陶瓷管、应变片、静态电阻应变仪、平衡光电探测器、示波器和光谱仪组成.在压电陶瓷管激励部分，信号发生器产生的激励信号先经过高压放大器放大，然后激发压电陶瓷管产生不同程度的应变，最后由静态电阻应变仪测量出应变程度.激光源部分产生的激光分别经过FBG和πPS-FBG得到对应反射光谱，同时紧密粘贴在压电陶瓷管表面的传感器会感应到相应的应变并转换成相应的光信号的变化，传输到光谱仪以测量出光谱中心波长的变化.在信号检测部分采用具有窄线宽反射峰的πPS-FBG，结合可调谐DFB激光器，构建超声传感器感应超声应变，最后通过BPD对传感器的反射和透射激光功率信号交流耦合，抑制激光噪声强度的同时放大被检测信号的交流分量.

3.2 实验过程与结果

实验首先采用宽带光源测试了πPS-FBG和FBG超声传感器的静态特性，然后比较了两种传感器波长随应变变化的灵敏度.通过改变高压放大器的电压激励压电陶瓷管，可使粘贴在压电陶瓷管上的应变片产生0到10-4ε的应变.该压电陶瓷管加压后在径向和轴向2个方向上都能产生伸缩形变.当施加正电压时，应变为负应变，反之为正应变.逐步增加激励电压使应变从10-6ε开始，步长为2×10-6ε，记录每个应变下FBG和πPS-FBG反射光谱中心波长的变化；再逐步减小电压使应变由大到小变化，以完成一次试验的正反行程中心波长数据的测量.重复上述实验过程3次，计算得到FBG反射光谱中心波长随应变的变化关系：δλ-ε=ΔλB/Δε=0.334 3 μm/ε，πPS-FBG为0.658 2 μm/ε，变化关系线性拟合曲线的线性度均大于0.998，且2种光栅反射光谱中心波长随着应变增大向短波段漂移.由于宽带光源本身光功率和反射信号强度较低，解调系统的信噪比难以提高，相应的波长分辨率也受到限制[17].

图4为DFB激光解调法中的电压响应随应变的变化趋势，正反行程线性拟合曲线斜率平均值分别表示FBG和πPS-FBG电压响应随应变变化关系，斜率值(δv-ε=Δv/Δε)分别为13.215 kV/ε,125.655 kV/ε.实验中，设置窄带激光中心波长初始位置为FBG和πPS-FBG光栅反射光谱左瓣3 dB点处.但由于两者反射光谱的不同，FBG随着应变的增大频谱重叠区域逐渐增大，πPS-FBG先缓慢减小，然后线性递减再逐渐增大.FBG和πPS-FBG反射光谱中心波长对电压响应的灵敏度(δFBG=δv-ε/δλ-ε)分别为39.530 GV/m,190.907 GV/m.可以看出，πPS-FBG的响应灵敏度为普通FBG的5倍.电压响应的正反行程曲线存在小幅度的波动，其原因可能是实验环境中温度变化引起发射光谱中心波长发生微小的偏移，然而其变化较小且缓慢，实验所测得的数据与真实值基本保持一致，线性拟合曲线的线性度也均大于0.96.

4 πPS-FBG传感器对超声的动态响应

4.1 实验装置与方法

图5为验证πPS-FBG超声传感器的动态响应特性的实验示意图.整个系统主要分为PZT超声激励部分和πPS-FBG传感器平衡光电探测部分.在PZT超声激励部分，将10个周期的正弦波信号经Hanning窗调制得到能减少频谱泄漏且能量集中的单频信号，将该信号导入信号发生器(固维AFG-3051型)作为激励信号，再通过功率放大器(T&C Power Conversion,Inc)放大后，驱动压电片产生超声波.实验试件选用对激光吸收率较高6061铝合金板，整体规格为200 mm×100 mm×10 mm.超声压电片和πPS-FBG分别粘贴在距离无缺陷试件正中心点12.5 mm的左右2侧，为了便于对比，传感压电片与πPS-FBG并排紧密粘贴.

4.2 实验结果与讨论

通过观察图6(a)可发现πPS-FBG与PZT patch传感器掺杂了较多的低频干扰噪声(相同相隔时延条件下)，且混叠了功率放大器等电子仪器的高频噪声.噪声水平约为0.01 mV，对比πPS-FBG静态灵敏度(125.655 kV/ε)，可以得到对应的响应应变Δε=Δv/δv-ε=79.583×10-12ε，这是该系统超声诱导的最小可检测应变.PZT patch采集到的超声响应信号持续时间较久，压电片本身的振荡作用虽然导致压电片采集到的信号幅值较大，却不能真实反馈响应信号本身的特征，以致在时域出现较大误差.

为了更直观地观察πPS-FBG传感器采集的超声响应信号特征，采用小波降噪结合带通滤波器去除高低频噪声，并通过快速傅里叶变换(FFT)算法对其进行频谱分析.图6(b)为πPS-FBG传感器探测到的经去噪处理后的时间响应信号和频谱响应信号，πPS-FBG传感器能清晰的展示出激励源信号的波形结构且与压电片接收结果保持一致，峰-峰值电压约为3.36 mV，其对应的响应应变为Δε=Δv/δv-ε=26.740×10-9ε，即πPS-FBG传感器可以较稳定地检测出10-9ε级别的超声应变，同时可以明显观察到1 MHz的响应频谱信噪比可达到118 dB.

为了进一步探究πPS-FBG传感器频率响应灵敏度(信噪比)对每个频率的依赖关系，将激励源信号从1 MHz到5 MHz频率范围内以0.5 MHz为步长，驱动PZT patch产生超声波，然后分别将πPS-FBG与PZT patch传感器探测到的超声响应信号用相同的去噪方法处理，最后由响应频谱的振幅得到信噪比与频率之间的关系，如图7所示.拟合曲线表明πPS-FBG对1～5 MHz高频的响应灵敏度在105 dB以上，其在整个频率变化范围内的波动保持在19 dB以内.PZT patch传感器的灵敏度波动(32 dB)比πPS-FBG传感器要大，主要是由于压电片的谐振性造成的固有误差，所以相对于PZT patch传感器，πPS-FBG传感器具有更稳定的超声频率响应灵敏度.

5 结 论

本文提出了一种结构简单、成本较低、探测性能良好的πPS-FBG超灵敏激光超声传感器，其电压响应灵敏度为190.907 GV/m，对1～5 MHz高频的响应灵敏度在105 dB以上，其在整个频率变化范围内的波动保持在19 dB以内，且能够实际有效的检测到超声作用下6061铝合金板材上产生的10-9ε应变级的超声信号.实验结果表明，本文所提出的基于πPS-FBG的超声传感器可达到很高的灵敏度，有望为极端环境中金属构件的服役性能状态精确检测提供了一条可行的途径.