基片式光纖光柵傳感器加速度試驗(yàn)研究

杜翠翠，孔德仁，徐春冬

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210014）

引言

光纖光柵傳感監(jiān)測是現(xiàn)代常用的一種飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)，光纖傳感具有體積小、質(zhì)量輕、耐高溫及腐蝕、抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線傳感等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，可以粘貼到復(fù)合材料表面，如機(jī)身、機(jī)翼蒙皮處，實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器的溫度、應(yīng)變、振動等情況，為飛行器健康狀態(tài)的判別提供重要的依據(jù)[4-6]。

裸光纖光柵的直徑只有125 μm，在外載荷的作用下很容易發(fā)生破損[7]。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，光纖光柵需要進(jìn)行封裝才能使用。基片式封裝是FBG 傳感器設(shè)計(jì)的典型形式，該形式封裝的傳感器具有可標(biāo)定、易批量、線性度高、壽命長等特點(diǎn)[8-9]。郭永興[10]等人研究了不同封裝方式的光纖光柵傳感與溫補(bǔ)特性，發(fā)現(xiàn)光柵在表面式全部粘貼和兩端粘貼封裝下的感測特性均良好，自差分溫度補(bǔ)償效果優(yōu)于裸光纖光柵，兩端粘貼封裝的溫度補(bǔ)償效果更好。Yi Kuang[11]等人總結(jié)了FBG 應(yīng)變傳感器不同金屬封裝方法的優(yōu)缺點(diǎn)。本文研究的光纖光柵傳感器采用鋁合金基底封裝，具有高靈敏度、重復(fù)性好、易標(biāo)定等特點(diǎn)。

目前，典型的波長解調(diào)方法有匹配濾波法、非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉儀法、邊緣濾波法、光譜檢測解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧Fabry-Perot(F-P)濾波器法等[12]。卜祥銀[13]采用匹配光柵法來實(shí)現(xiàn)對FBG傳感器采集信號的解調(diào)，但匹配光柵法自由譜范圍比較窄，不適合多通道的光纖光柵波長解調(diào)。叢蕊[14]等人將可調(diào)諧Fabry-Perot（F-P）濾波器法作為分光器件應(yīng)用于高光譜遙感，證明了該解調(diào)方法對面向高光譜遙感應(yīng)用的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和波長校準(zhǔn)具有指導(dǎo)意義。但是，可調(diào)諧濾波器件的核心部件為電致伸縮的壓電材料（如PZT），耐震性能差，不適合機(jī)載工況振動較大的場合。本文采用的光譜檢測解調(diào)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高等特點(diǎn)，解調(diào)速度可以達(dá)到5 kHz，波長檢測精度可達(dá)±5 pm。而且，本系統(tǒng)中的體相位光柵光譜模塊小巧，沒有壓電材料及活動部件，能夠滿足機(jī)載抗振需求。

因此，根據(jù)機(jī)載抗振的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基片式鋁合金封裝光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器，開發(fā)了適用于機(jī)載復(fù)雜環(huán)境下的波長解調(diào)系統(tǒng)，即基于體相位光柵和線陣光電探測器的光譜檢測解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對光纖光柵中心波長的反射波長的微小偏移量進(jìn)行精確測量。另外，為了測試光纖光柵傳感器在受到加速度載荷下的傳感性能，對所設(shè)計(jì)的鋁合金封裝式光纖光柵傳感器按照GJB150.15A“加速度試驗(yàn)”要求和方法進(jìn)行加速度性能測試。

1 基片式光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)及波長解調(diào)傳感特性

1.1 FBG 傳感器鋁合金基底封裝設(shè)計(jì)

圖1 為設(shè)計(jì)的基片鋁合金封裝式光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器外觀和尺寸圖?？紤]到粘接點(diǎn)位置、靈敏度等參數(shù)，F(xiàn)BG 應(yīng)變和溫度傳感器的尺寸大小分別為36 mm×9 mm×1 mm 和37.8 mm×14.6 mm×1 mm。光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變測量量程為?2 500 με～3 000 με，光纖光柵溫度傳感器的測溫范圍為?55 ℃～70 ℃。基底材料選用AlSi10Mg合金材料。封裝過程如下：用酒精清洗裸光纖光柵部分和兩端的光纖，為增加膠黏劑的附著性，先后用砂紙和丙酮打磨和清潔凹槽位置，將裸光纖光柵粘貼嵌入至封裝基底的凹槽內(nèi)，采用配比均勻且適量的的環(huán)氧樹脂膠（樂泰E-20HP）涂覆在粘貼區(qū)域，并固化24 h。這種鋁合金封裝方式的FBG 傳感器直接粘貼在飛機(jī)關(guān)重件部位的復(fù)合材料表面，當(dāng)復(fù)合材料受到外界環(huán)境影響時(shí)，復(fù)合材料的變形通過膠黏劑傳遞到光纖光柵傳感器，通過測量光纖光柵中心波長的變化來測得外界物理因素。

圖1 鋁合金封裝式光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器設(shè)計(jì)Fig.1 Design of FBG strain and temperature sensor with aluminium alloy package

1.2 FBG 傳感器傳感機(jī)理及波長解調(diào)技術(shù)

1.2.1 FBG 傳感器的傳感原理

圖2 為光纖光柵傳感器的傳感原理圖。光纖光柵是由纖芯、包層和涂覆層組成，其本質(zhì)是一段纖芯折射率周期性變化的光纖，當(dāng)一束寬光譜經(jīng)過光纖光柵時(shí)，由于光纖光柵波長的選擇性作用，滿足布拉格條件的光被反射回來，其余的光束則透射過去不受影響，其中反射光譜的峰值即為光纖光柵的中心波長[15]。

圖2 光纖光柵傳感原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of FBG sensing principle

1）光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)理

根據(jù)光纖耦合模理論，光纖 Bragg 光柵反射光的中心諧振波長取決于光柵的周期Λ 和纖芯的有效折射率neff，光纖Bragg 光柵的諧振方程為

式中：λB為光纖Bragg 中心波長；neff為纖芯有效折射率；Λ為光柵周期。

由于光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)的存在，應(yīng)變使得FBG 傳感器中心波長發(fā)生偏移，其公式為

式中，ΔΛ為光柵在應(yīng)變下的彈性變形量。

2）光纖光柵溫度傳感器的傳感機(jī)理

當(dāng)光纖光柵處于自由狀態(tài)時(shí)，或其均勻壓力場或軸向應(yīng)力場恒定時(shí)，溫度引起的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)會共同導(dǎo)致布拉格光柵波長發(fā)生變化。其中，熱膨脹效應(yīng)改變光柵周期，熱光效應(yīng)使光柵區(qū)域的折射率發(fā)生改變。當(dāng)溫度變化時(shí)，光柵周期的變化為

式中，α為材料的膨脹系數(shù)

熱光效應(yīng)引起的折射率的變化為

式中，ξ為熱光系數(shù)，表示折射率隨溫度的變化率。

以上兩種效應(yīng)引起的光柵波長的變化為

式中，KT為溫度靈敏度系數(shù)。

當(dāng)光纖光柵受應(yīng)變或周圍溫度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期 Λ和有效纖芯折射率neff發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵信號中心波長的漂移。波長解調(diào)設(shè)備通過監(jiān)測光纖光柵反射波長的變化情況，即可獲得 監(jiān)測點(diǎn)上光纖光柵的應(yīng)變和溫度。

1.2.2 FBG 傳感器波長解調(diào)技術(shù)

波長解調(diào)原理如圖3所示。寬帶光源（BBS）發(fā)出的光經(jīng)過光耦合器后入射到光纖光柵，滿足布拉格波長條件的光被光纖光柵反射后再次通過耦合器進(jìn)入光譜檢測解調(diào)系統(tǒng)，反射光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫泄庹丈涞襟w相位光柵，根據(jù)體相位光柵的分光作用，不同波長的光束經(jīng)過體相位光柵匯聚到凹面反射鏡，進(jìn)而投射成像到線陣光電探測器上。當(dāng)光柵受到多種外部環(huán)境因素（應(yīng)變、應(yīng)力、溫度等）影響時(shí)，光柵周期或折射率將發(fā)生改變，引起反射波長的變化，進(jìn)而衍射角發(fā)生變化，成像到線陣光電探測器上的位置也會相應(yīng)改變。通過處理電路采集出線陣光電探測器輸出的像素電壓（或電流）信號，推算出光纖光柵傳感器的中心波長值，并通過數(shù)據(jù)處理推算出監(jiān)測位置的應(yīng)變或溫度等物理量。

圖3 波長解調(diào)原理圖Fig.3 Schematic diagram of wavelength demodulation

2 加速度試驗(yàn)及分析

2.1 測試方案

為了測試所設(shè)計(jì)的FBG 傳感器在實(shí)際使用環(huán)境中是否可以承受加速度載荷以及相應(yīng)的傳感性能。本文按照GJB150.15A“加速度試驗(yàn)”的要求和方法，采用中國電子科技集團(tuán)公司第18研究所的離心機(jī)裝置，對選取的2 只光纖光柵應(yīng)變傳感器（FBG-S1，初始中心波長1 538.368 nm和FBG-S2，初始中心波長1 540.265 nm，應(yīng)變靈敏度均為0.5 pm/με）和2 只光纖光柵溫度傳感器（FBG-T1，初始中心波長1 547.854 nm 和FBG-T2，初始中心波長1 550.897 nm，溫度靈敏度均為33.5 pm/℃）在X向、Y向、Z向的6 個(gè)方向進(jìn)行了不同試驗(yàn)量值的加速度試驗(yàn)。不同方向的試驗(yàn)量值如表1所示。

表1 加速度性能試驗(yàn)量值Table 1 Test values of acceleration performance

光纖光柵傳感器的加速度試驗(yàn)裝置如圖4所示。為了比較傳感器在試驗(yàn)前后的性能，4 只FBG 傳感器分別需要在加速度試驗(yàn)前、試驗(yàn)中、試驗(yàn)后進(jìn)行性能測試和外觀檢查。

圖4 光纖光柵傳感器離心機(jī)加速度試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Diagram of acceleration test equipment for FBG sensors based on centrifuge

加速度試驗(yàn)詳細(xì)測試步驟如下：

1）將4 只FBG 傳感器分別接入至光纖解調(diào)儀的不同通道，并連接至外部的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在試驗(yàn)開始前，對處于穩(wěn)定狀態(tài)（溫度25 ℃，相對濕度不大于80%且不施加任何外力）下的4 只FBG傳感器持續(xù)測量2 min，并記錄其波長數(shù)據(jù)；若2 min 內(nèi)波長偏移量不超過±50 pm[16]（最大值與均值的差值和最小值與均值的差值），且光強(qiáng)變化不超過0.3 V，則光纖光柵傳感器性能正常。

2）使離心機(jī)達(dá)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，每個(gè)方向保持1 min，進(jìn)行性能檢測并記錄結(jié)果，若光纖光柵傳感器在試驗(yàn)過程中波長輸出無跳變（波長偏移不超過±2 nm，光強(qiáng)范圍為1.3 V～4.003 V）、無中斷，則光纖光柵傳感器通過加速度試驗(yàn)。

3）試驗(yàn)結(jié)束后，對4 只被測FBG 傳感器的外觀（傳感器是否有脫落、損傷等）進(jìn)行檢查，并重復(fù)步驟1）對被測試件進(jìn)行常態(tài)性能測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)前測試結(jié)果

表2 列出了被測傳感器在2 min 內(nèi)的波長和光強(qiáng)變化量。

表2 4 只光纖光柵傳感器在加速度試驗(yàn)前波長、光強(qiáng)變化Table 2 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors before acceleration test

由表2 可以看出，4 只光纖光柵傳感器在2 min常態(tài)性能測試中波長偏移量均未超過±50 pm（最大偏移量為?1.809 pm），且光強(qiáng)變化未超過0.3 V（最大偏移量為0.0212 V），則證明設(shè)計(jì)的4 只光纖光柵傳感器滿足常態(tài)性能測試要求。

3.2 試驗(yàn)中測試結(jié)果

圖5～圖10 分別為4 只FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)中前、后、上、下、左、右6 個(gè)方向的波長、光強(qiáng)測試結(jié)果?？梢钥闯?，4 只FBG 傳感器在受到不同加速度值時(shí)，波長和光強(qiáng)會發(fā)生不同程度的變化。其中，波長偏移量最大波動為±7 pm，光強(qiáng)均在1.3 V～4.003 V 內(nèi)。即4 只FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)過程中滿足輸出無跳變、無中斷的要求。

圖5 FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)“前方向”測試波長和光強(qiáng)Fig.5 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(front-direction test)

圖6 FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)“后方向”測試波長和光強(qiáng)Fig.6 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(rear-direction test)

圖7 FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)“上方向”測試波長和光強(qiáng)Fig.7 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(up-direction test)

圖8 FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)“下方向”測試波長和光強(qiáng)Fig.8 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(down-direction test)

圖9 FBG 傳感器加速度試驗(yàn)“左方向”測試波長和光強(qiáng)Fig.9 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(left-direction test)

3.3 試驗(yàn)后測試結(jié)果

表3 列出了4 只FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)后的2 min 內(nèi)測試波長和光強(qiáng)變化。可以看出傳感器在加速度試驗(yàn)后2 min 常態(tài)性能測試中波長偏移量均未超過±50 pm（最大偏移量為?1.206 pm），且光強(qiáng)變化未超過0.3 V（最大偏移量為0.021 2 V）。

表3 4 只FBG 傳感器在加速度“試驗(yàn)后”波長和光強(qiáng)變化Table 3 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors(after acceleration test)

試驗(yàn)結(jié)果表明：在加速度試驗(yàn)前后的 2 min 性能測試中，波長偏移量均未超過±50 pm，且光強(qiáng)變化未超過0.3 V。在加速度試驗(yàn)中，波長偏移量最大波動為±7 pm，光強(qiáng)均在1.3 V～4.003 V 范圍內(nèi)，且試驗(yàn)后傳感器外觀良好，無脫落情況。驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的光纖光柵傳感器具備承受加速度載荷的能力，且承受載荷期間傳感性能良好。

4 結(jié)論

本文根據(jù)FBG 傳感器機(jī)載抗振的需求，設(shè)計(jì)了一種基片式鋁合金封裝光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器，按照GJB150.15A“加速度試驗(yàn)”要求和方法，對選取的4 只FBG 傳感器進(jìn)行了加速度性能測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，在加速度6 個(gè)測試方向試驗(yàn)中，波長偏移量最大波動為±7 pm，光強(qiáng)均在1.3 V～4.003 V 內(nèi)，滿足輸出無跳變（波長偏移不超過±2 nm，光強(qiáng)范圍在1.3 V～4.003 V 內(nèi)）、無中斷的要求。說明了所設(shè)計(jì)的FBG 傳感器具備承受加速度載荷的能力，且承受載荷期間傳感性能良好，可應(yīng)用于載機(jī)關(guān)重件結(jié)構(gòu)的相關(guān)物理參數(shù)的測量。