具有溫度自補(bǔ)償?shù)谋Ｆ饫w布拉格光柵多參量傳感器的設(shè)計與制備*

李建宇 董忠級 張吉宏 史雯慧 鄭加金3)? 韋瑋3)?

1) (南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子(未來技術(shù))學(xué)院,南京 210023)

2) (中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院,西安 710051)

3) (江蘇省特種光纖材料與器件制備及應(yīng)用工程研究中心,南京 210023)

多參量的動態(tài)檢測對于隧道、橋梁和管道等結(jié)構(gòu)疲勞損傷的預(yù)測具有重要意義,開發(fā)一種高靈敏度、環(huán)境友好、低成本和易于操作的多參量動態(tài)檢測技術(shù)一直是業(yè)界追求的目標(biāo).為了克服目前基于光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)的多參量傳感器結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜、制作成本高等問題,本文基于保偏光纖布拉格光柵(PM-FBG)設(shè)計并制作了一種結(jié)構(gòu)簡單且高靈敏度,單點(diǎn)可同時測量多個參量的新型傳感器.該傳感器通過傳感臂可以同時測量某一點(diǎn)在兩個垂直方向上的位移和扭轉(zhuǎn)變化,并具有溫度自補(bǔ)償功能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 該傳感器的快軸和慢軸對于溫度的響應(yīng)不同,其線性靈敏度分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,溫度補(bǔ)償系數(shù)為0.8 pm/℃,平均扭轉(zhuǎn)靈敏度為0.20 dB/(°);該傳感器的快軸和慢軸對位移/彎曲的響應(yīng)相同,線性靈敏度為31.5 pm/mm.當(dāng)改變傳感器周圍的溫度場,其位移和扭轉(zhuǎn)傳感性能不受影響,可實(shí)現(xiàn)3 個參量的同時測量.本文研制的PM-FBG 新型多參量傳感器可以保證高精度的溫度、位移和扭轉(zhuǎn)測量,同時具有較低的制作成本,有望為多參量動態(tài)檢測提供一種新的手段.

1 引言

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、靈敏度高和耐久性好等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛用于巖土工程、航空航天、醫(yī)療研究等領(lǐng)域[1-4].由于FBG 對應(yīng)變和溫度同時敏感,并且常用的FBG 傳感器只能測量一種物理參量[5],所以在實(shí)際應(yīng)用中往往需要設(shè)置多個FBG 傳感器分別測量溫度、應(yīng)變和位移等物理參量,既增加了成本預(yù)算,又可能達(dá)不到理想效果.因此,多個物理參量同時測量在理論研究和工程應(yīng)用中具有重要意義[6-8],設(shè)計一種具有溫度自補(bǔ)償功能的多參量傳感器可以簡化監(jiān)測流程,大大降低檢測成本.

保偏光纖布拉格光柵(polarization-maintaining fiber Bragg grating,PM-FBG)是利用紫外曝光在高雙折射保偏光纖中寫入FBG,從而形成纖芯的折射率周期性分布的一種新型傳感結(jié)構(gòu).由于PMFBG 支持兩種不同的偏振本征模式和有效折射率,因此,PM-FBG 以兩種布拉格波長(對應(yīng)于PM-FBG的快軸和慢軸)耦合沿兩個主軸偏振的光,使得PM-FBG 的兩個波峰對環(huán)境變化產(chǎn)生不同的響應(yīng).基于以上原理,PM-FBG 可以克服FBG 傳感器的交叉靈敏度問題,實(shí)現(xiàn)溫度、縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變或扭轉(zhuǎn)的同時測量[9-12].

近年來,許多專家學(xué)者基于FBG 設(shè)計了各種類型的多參量傳感器和多參量傳感系統(tǒng).2019 年,Huang 等[13]利用FBG 傳感器陣列實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變、溫度和壓力的同時測量,并將其應(yīng)用于管道系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測;同年,Leal-Junior 等[14]基于8 個FBG傳感器實(shí)現(xiàn)了扭矩和位移的雙參量測量;2020 年,Xu 等[15]基于一個FBG 傳感器設(shè)計了一種可以同時測量傾斜和加速度的傳感器;2022 年,Lu 等[16]基于PM-FBG 設(shè)計了一種多參量傳感器,該傳感器可以同時測量溫度、應(yīng)變和周圍有效折射率.然而,目前基于FBG 的多參量傳感器普遍存在傳感器的結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜,未對FBG 進(jìn)行有效封裝,傳感器力學(xué)性能差以及制作成本高等問題.

鑒于此,本文利用3D 打印技術(shù),設(shè)計并制作了一種可以同時測量位移、扭轉(zhuǎn)和溫度的新型PMFBG 多參量傳感器.該傳感器的結(jié)構(gòu)主要由傳感腔、傳感臂和位移控制腔組成.由于PM-FBG 的兩種布拉格波長對扭轉(zhuǎn)和彎曲的響應(yīng)不同,所設(shè)計的PM-FBG 傳感器可以分別將傳感臂的位移和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榍度雮鞲星粌?nèi)的PM-FBG 的彎曲和扭轉(zhuǎn),從而可以檢測特定位置上兩個垂直方向上的位移和扭轉(zhuǎn)的變化.同時,該傳感器可以在測量其他參量的同時檢測溫度的變化,消除外界溫度場變化對傳感器輸出結(jié)果的影響,從而實(shí)現(xiàn)溫度的自補(bǔ)償.此外,PM-FBG 柵區(qū)的兩端分別與支撐臂和傳感臂直接連接,其變化趨勢與傳感臂相同,使得PMFBG 傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確度較高.本文所提出的PM-FBG 具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、力學(xué)性能好和制作成本低等優(yōu)勢,有望為多參量動態(tài)檢測提供一種新的方法.

2 PM-FBG 傳感原理及實(shí)驗(yàn)

2.1 PM-FBG 傳感原理

由于實(shí)際的單模光纖纖芯的圓對稱性無法達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致光波的兩種偏振模式在纖芯內(nèi)傳播的速度不同,從而產(chǎn)生偏振模色散.保偏光纖(polarization-maintaining fiber,PMF)在光纖纖芯周圍摻入硼硅酸鹽,所產(chǎn)生的應(yīng)力誘導(dǎo)可以消除偏振模色散.如圖1 所示,由于PMF 在兩個偏振方向上的有效折射率不同,光波在PMF 中傳輸?shù)乃俣炔煌纬闪丝燧S與慢軸,在PMF 上寫入FBG相當(dāng)于在快軸和慢軸的相同位置上分別寫入了FBG,因此,PM-FBG 具有兩個波峰[17-19].PM-FBG 中心波長的計算公式為

圖1 (a) PMF 截面示意圖;(b) PM-FBG 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.(a) Schematic cross-section of PMF;(b) schematic structure of PM-FBG.

式中,λF為PM-FBG 快軸的中心波長,λS為PMFBG 慢軸的中心波長,Λ為光柵的周期,nF為PMFBG 快軸的有效折射率,nS為PM-FBG 慢軸的有效折射率.

根據(jù)PM-FBG 兩個波峰對溫度和應(yīng)變的響應(yīng)規(guī)律[20],其快軸和慢軸的波長漂移量ΔλFB和ΔλSB與溫度和位移的關(guān)系可以表示為

式中,ΔT和ΔD分別為外界溫度變化量和位移量,KFT和KST分別為PM-FBG 快軸和慢軸的溫度靈敏度系數(shù),KD為PM-FBG 的位移靈敏度系數(shù).

當(dāng)線性偏振光輸入PM-FBG 時,PMF 的慢軸和快軸分別產(chǎn)生兩種不同的偏振模式,這兩種模式的E(電磁)場場強(qiáng)對扭轉(zhuǎn)的響應(yīng)不同,具體表現(xiàn)為PM-FBG 的快軸和慢軸對扭轉(zhuǎn)的響應(yīng)不同[6].PM-FBG 沿順時針扭轉(zhuǎn)角度ΔA與快軸和慢軸的峰值強(qiáng)度之間的關(guān)系可以表示為

式中,RF和RS分別為PM-FBG 快軸和慢軸的峰值強(qiáng)度,RF0和RS0分別為快軸和慢軸的初始峰值強(qiáng)度,KA為PM-FBG 的平均扭轉(zhuǎn)靈敏度,ΔA代表PM-FBG 的扭轉(zhuǎn)角度.當(dāng)PM-FBG 沿逆時針扭轉(zhuǎn)時,式中符號取反.

2.2 PM-FBG 傳感器制備及實(shí)驗(yàn)

使用248 nm 的KrF 準(zhǔn)分子激光器和相位掩模法在載氫后的保偏光纖(熊貓型保偏光纖,模場直徑為6.7—7.1 μm@980 nm,包層直徑為125 μm±1 μm)寫入PM-FBG(柵區(qū)長度為6 mm);然后通過熔融沉積3D 打印技術(shù)(fused deposition modeling,FDM)將FBG 嵌入圖2 所示的結(jié)構(gòu)中.其中,所制作的PM-FBG 傳感器外殼的材料為聚乳酸,熔化溫度、拉伸模量和拉伸強(qiáng)度分別為173—178 ℃,2.7—16 GPa 和50 MPa,3D 打印機(jī)的層分辨率、細(xì)絲直徑和噴嘴直徑分別為0.1,1.75 mm 和0.44 mm,傳感腔體積為 150 mm×50 mm×50 mm.

圖2 本文設(shè)計的PM-FBG 傳感器實(shí)物圖Fig.2.The physical image of the PM-FBG sensor designed in this paper.

如圖2 所示,設(shè)計的PM-FBG 傳感器主要包括傳感腔、控制腔、支撐臂和傳感臂.其中,PMFBG 位于傳感腔中,并分別與傳感臂和支撐臂連接,PM-FBG 與傳感臂具有相同的運(yùn)動趨勢.控制腔中的彈簧控制傳感臂的位移范圍,可以防止PM-FBG 因傳感臂位移量過大而損壞.傳感臂分別將環(huán)境位移和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)镻M-FBG 的彎曲和扭轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)位移和扭轉(zhuǎn)的同時測量.

本文采用的PM-FBG 和銅合金彈簧的熱膨脹系數(shù)常溫下分別為8×10—6—13×10—6℃—1和7×10—6—9×10—6℃—1,理論上,材料的熱膨脹系數(shù)越小,其熱性能越穩(wěn)定.若彈簧發(fā)生熱脹冷縮,其變形將小于PM-FBG,彈簧表面微小的形變對PMFBG 產(chǎn)生的軸向應(yīng)力非常小,可以忽略.此外,在整個傳感器模塊中,PM-FBG 一端固定于支撐臂,另一端與彈簧連接,中間懸空.由于PM-FBG 沒有直接與PLA 基底接觸,其熱脹冷縮對于PM-FBG影響較小.

圖3 所示為PM-FBG 傳感器性能測試系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括PM-FBG 傳感器、寬帶光源(ASE,Hoyatek)、偏振控制器、環(huán)形器、光譜分析儀(OSA,AQ6375B,Yokogawa)和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊.其中,ASE 寬帶光源發(fā)出的偏振光依次通過單模光纖(SMF-G.652)、偏振控制器和環(huán)形器后傳輸至PM-FBG 傳感器,光譜分析儀接收來自PM-FBG傳感器的反射光并輸出反射光譜.通過調(diào)節(jié)偏振控制器可以調(diào)整光的輸出偏振狀態(tài),PM-FBG 傳感器的扭轉(zhuǎn)和位移變化由傳感臂控制.

圖3 PM-FBG 傳感器測試系統(tǒng)示意圖Fig.3.Schematic diagram of PM-FBG sensor testing system.

本文通過以下流程完成傳感器的初始對準(zhǔn): 首先將刻寫有PM-FBG 的PMF 與SMF 熔接;然后使光纖保持平直狀態(tài),旋轉(zhuǎn)偏振控制器設(shè)置PMFBG 快軸的反射峰趨近于0 時的扭轉(zhuǎn)角度為0°;最后,將光纖固定于傳感器模塊內(nèi),此時,傳感臂的旋轉(zhuǎn)角度默認(rèn)為0°.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別將PM-FBG 裸柵和傳感器模塊置于恒溫水浴鍋中,溫度范圍為20—80 ℃.結(jié)果顯示,兩者的測試結(jié)果基本相同,且在升溫至80 ℃時,彈簧和傳感器模塊均未發(fā)生明顯形變.因此,本文不考慮傳感器模塊本身熱脹冷縮引起的應(yīng)變對測量結(jié)果的影響.

對PM-FBG 傳感器進(jìn)行升溫測試,期間傳感器模塊的傳感臂保持初始狀態(tài)(旋轉(zhuǎn)角度為0°,位移量為0 mm),圖4 所示為PM-FBG 傳感器溫度傳感性能測試結(jié)果.從圖4(a)可以看出,升溫過程中,傳感器的快軸和慢軸所對應(yīng)的波峰的相對強(qiáng)度保持不變,而中心波長發(fā)生紅移;對圖4(a)中的PM-FBG 的中心波長與溫度的關(guān)系進(jìn)行線性擬合,波長與溫度具有良好的線性關(guān)系.此外,由于PMFBG 的快軸和慢軸的熱膨脹系數(shù)不同,兩者的線性靈敏度不同,PM-FBG 傳感器的快軸和慢軸所對應(yīng)的波峰的靈敏度系數(shù)分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃;圖4(b)是根據(jù)PM-FBG 的快軸和慢軸的波長差(Δλ=λS—λF)與溫度擬合得到的關(guān)系曲線,擬合系數(shù)R2=0.99995,傳感器的溫度補(bǔ)償系數(shù)為0.8 pm/℃.

圖4 (a) PM-FBG 傳感器不同溫度下光譜圖;(b) PM-FBG 的快軸和慢軸波長差與溫度的關(guān)系Fig.4.(a) Spectra of PM-FBG sensor at different temperatures;(b) temperature versus wavelength difference corresponding to the fast axis and slow axis.

圖5(a)是PM-FBG 傳感器的傳感臂從0°旋轉(zhuǎn)至90°的反射譜,從圖5(a)可以看出,從0°旋轉(zhuǎn)至90°的過程中,PM-FBG 的快軸的峰值強(qiáng)度增大,慢軸的峰值強(qiáng)度減小,該現(xiàn)象是由PMF 內(nèi)部正交偏振模式的變化引起的.進(jìn)一步,調(diào)節(jié)PMFBG 傳感器的傳感臂,使其從—90°(逆時針)逐漸旋轉(zhuǎn)至90°(順時針),旋轉(zhuǎn)步長為15°.如圖5(b)所示,PM-FBG 傳感器反射峰的強(qiáng)度隨扭轉(zhuǎn)角的變化遵循正弦變化規(guī)律,并且對順時針扭轉(zhuǎn)和逆時針扭轉(zhuǎn)的響應(yīng)不同,其中,正弦擬合曲線的方差R2=1,平均扭轉(zhuǎn)靈敏度為0.20DB/(°).與文獻(xiàn)[21]中報道的0.09DB/(°)相比,PM-FBG 傳感器的扭轉(zhuǎn)靈敏度有所提高.

圖5 (a) PM-FBG 傳感器不同扭轉(zhuǎn)角度光譜圖;(b)對應(yīng)于圖(a)的峰值強(qiáng)度變化曲線Fig.5.(a) Spectral response of PM-FBG sensor versus rotation over —90° to 90°;(b) individual peak intensities extracted from the spectra of (a).

對PM-FBG 傳感臂的位移與PM-FBG 的彎曲之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定,如圖6(a)所示,將PMFBG 固定于位移控制平臺的彈性鋼尺表面,固定一端,在另一端施加5 g 的重量,通過控制位移平臺使PM-FBG 產(chǎn)生彎曲.曲率1/R可以通過以下公式計算:

圖6 PM-FBG 傳感器位移傳感性能測試 (a)彎曲測量實(shí)驗(yàn)裝置;(b)曲率為0—11 m—1 的光譜響應(yīng);(c) 曲率-波長;(d) 位移-波長(快軸,慢軸)Fig.6.Displacement sensing performance test of PM-FBG sensor: (a)Experimental setup for bending measurement;(b) spectral response of curvature over 0 to 11 m—1;(c) curvature versus wavelength;(d) displacement versus wavelength of the fast axis and slow axis.

式中,h是彈性鋼尺中點(diǎn)的高度,d是鋼尺兩端之間的距離,位移變化范圍為0—20 mm,曲率變化范圍為0—11 m—1.

圖6(b)是上述實(shí)驗(yàn)的光譜響應(yīng)結(jié)果,從圖6(b)可見,PM-FBG 的快軸和慢軸的波長與曲率具有良好的線性關(guān)系.如圖6(c)所示,對波長與曲率之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合,結(jié)果顯示,其線性斜率均為82 pm/mm—1,線性系數(shù)R2分別為0.998 和0.999,該現(xiàn)象與PM-FBG 對溫度的響應(yīng)規(guī)律不同.為了進(jìn)一步驗(yàn)證PM-FBG 傳感器的傳感臂位移與波長之間的關(guān)系,對傳感臂位移與PM-FBG 峰值波長的關(guān)系進(jìn)行線性擬合,如圖6(d)所示,PM-FBG 傳感器的快軸和慢軸的位移靈敏度分別為31 pm/mm和32 pm/mm,由于兩者基本相同,所以此處取兩者的平均值,即PM-FBG 傳感器的位移靈敏度為31.5 pm/mm.

為了驗(yàn)證PM-FBG 傳感器可以實(shí)現(xiàn)多參量的交叉測量,分別在0,40 和80 ℃的環(huán)境下測試PMFBG 傳感器的位移和扭轉(zhuǎn)傳感性能.如圖7(a)所示,當(dāng)環(huán)境的溫度場和位移同時發(fā)生變化時,傳感器的波長漂移量Δλ是溫度場引起的波長變化ΔλT和位移引起的波長變化ΔλD的線性疊加,具體可用公式表示為

圖7 PM-FBG 傳感器多參數(shù)同時測量 (a) 溫度對位移的影響;(b) 溫度對扭轉(zhuǎn)的影響Fig.7.Cross measurement of different parameters by PM-FBG sensor: (a) Influence of temperature on displacement;(b) influence of temperature on torsion.

從上述實(shí)驗(yàn)可知,溫度的升高會導(dǎo)致PM-FBG 傳感器的快軸和慢軸的波長紅移,并且兩者的靈敏度系數(shù)不同,但位移的增大只會導(dǎo)致兩者的線性紅移.因此,基于以上原理,該傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度和位移的同時測量.

接下來,研究了當(dāng)PM-FBG 傳感器傳感臂的扭轉(zhuǎn)角分別為45°和90°時,溫度場變化對傳感器反射光譜的影響.如圖7(b)所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度場的變化不會造成傳感器的光譜形狀發(fā)生變化,即溫度不會影響傳感器的扭轉(zhuǎn)測量(圖7(b)中PMF 的截面為PM-FBG 扭轉(zhuǎn)角度的示意圖).因此,PM-FBG 傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度與扭轉(zhuǎn)的同時測量.

最后,改變PM-FBG 傳感器周圍的溫度場,同時對傳感臂施加位移和旋轉(zhuǎn).圖8 是三參量同時變化時PM-FBG 傳感器的光譜圖.從圖8 可以看到,傳感臂的位移量增加導(dǎo)致快軸和慢軸的波峰發(fā)生紅移,同時,由于傳感器周圍溫度場的改變,快軸和慢軸的波長漂移量不同.此外,由于傳感臂的旋轉(zhuǎn),在波長漂移的過程中,快軸和慢軸的峰值強(qiáng)度發(fā)生變化.綜合以上分析,PM-FBG 傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度、位移和扭轉(zhuǎn)的同時測量.

圖8 PM-FBG 傳感器多參量同時測量光譜圖Fig.8.PM-FBG sensor simultaneously measures multiparameters spectral graph.

基于(3)式—(6)式和本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計算得到了PM-FBG 傳感器溫度、位移和扭轉(zhuǎn)同時測量的解調(diào)方程組為

式中,ΔT為外界溫度變化量,ΔD為PM-FBG 傳感器傳感臂的位移量,ΔA為傳感臂的旋轉(zhuǎn)角度,ΔλFB和ΔλSB分別為快軸和慢軸的波長漂移量,R0和R分別為PM-FBG 傳感器峰值強(qiáng)度的初始值和測量值.根據(jù)(9)式—(11)式的解調(diào)方程組,PMFBG 傳感器可以將外界的溫度、位移和扭轉(zhuǎn)的變化轉(zhuǎn)換為波長和波峰的變化,從而實(shí)現(xiàn)3 個參量的同時檢測.

4 結(jié)論

綜上所述,本文研制了一種具有溫度自補(bǔ)償功能的新型多參量PM-FBG 傳感器,其位移靈敏度為31.5 pm/mm,位移可調(diào)節(jié)范圍為0—20 mm;扭轉(zhuǎn)靈敏度為0.20DB/(°),扭轉(zhuǎn)可調(diào)節(jié)范圍為180°(—90°—+90°);PM-FBG 的快軸和慢軸的溫度靈敏度系數(shù)分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,溫度補(bǔ)償系數(shù)為0.8 pm/℃,以上3 種靈敏度均優(yōu)于商用的FBG 傳感器.使用一個PM-FBG 和熔融沉積3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的制作,有效降低了制作成本.進(jìn)一步驗(yàn)證了PM-FBG 傳感器在測量扭轉(zhuǎn)和位移的同時可以檢測溫度的變化,并給出了三參量同時傳感的解調(diào)方程組.本研究有望對多參量的同時測量提供可靠的依據(jù),所設(shè)計的PMFBG 傳感器具有一定的商業(yè)價值.