基于FBG集成F-P干涉的溫度-應(yīng)變傳感器研究

關(guān)鍵詞：光纖傳感器；光纖布拉格光柵；F-P 干涉；溫度；應(yīng)變

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 253 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

光纖傳感器因其具有體積小，重量輕，精度高，抗電磁干擾和耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電力、建筑等領(lǐng)域的健康檢測(cè)[1-3]。光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器和非本征法布里–珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）干涉儀傳感器是最重要的傳感器，已被用于許多傳感領(lǐng)域，如電力工業(yè)、大型復(fù)合材料、醫(yī)藥和化學(xué)傳感等[4-6]。多參數(shù)測(cè)量是光纖傳感中的一個(gè)重要問(wèn)題，不但需要考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性、尺寸和成本，還需要對(duì)多參數(shù)的交叉?zhèn)鞲羞M(jìn)行解耦。已有文獻(xiàn)報(bào)道了基于光纖光柵和法布里–珀羅干涉的多參數(shù)測(cè)量方法。研究人員[7-8]開(kāi)發(fā)了一種基于FP干涉和FBG的集成傳感器，用于同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。在該傳感器中，F(xiàn)-P傳感器是通過(guò)將兩根切割端的光纖插入具有適當(dāng)內(nèi)徑的毛細(xì)管中構(gòu)成的，法布里–珀羅腔長(zhǎng)度為毛細(xì)管內(nèi)兩根切割光纖端面之間的間隙。在光纖中寫(xiě)入光纖光柵，利用環(huán)氧樹(shù)脂或熔合物將光纖粘合到毛細(xì)管上。由于環(huán)氧樹(shù)脂與光纖和管道之間固有的熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）的差異，環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)傳感器通常對(duì)溫度變化敏感，這使得其對(duì)溫度和應(yīng)變交叉不敏感。雖然將光纖熔接到毛細(xì)管可以減小CTE的差異，但制造過(guò)程比較復(fù)雜，因?yàn)閷⒐饫w插入毛細(xì)管的操作并不容易。文獻(xiàn)[9-11]利用啁啾光纖布拉格光柵（chirped fiber Bragg grating，CFBG）/F-P和FBG/F-P分別實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變識(shí)別和溫度位移的同步測(cè)量。然而，使用參考光柵獲得測(cè)量值，基于強(qiáng)度的解調(diào)方法會(huì)不可避免地受到環(huán)境擾動(dòng)的影響。

本文提出了一種基于F-P干涉和FBG的新型集成傳感器。在集成傳感器中，使用氫氟酸（hydrofluoric acid，HFA）蝕刻和熔接制成的FP干涉?zhèn)鞲衅鲗?duì)溫度變化不敏感，因此該傳感器使用FBG測(cè)量溫度，使用F-P干涉結(jié)構(gòu)測(cè)量應(yīng)變。該傳感器具有制作簡(jiǎn)單，成本低，全光纖的特點(diǎn)，是嵌入材料的理想傳感器。該傳感器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同步監(jiān)測(cè)，解調(diào)采用光纖光柵的波長(zhǎng)解碼和F-P干涉的峰值跟蹤，避免了因光強(qiáng)波動(dòng)引起的誤差。

1傳感原理

本文提出的FBG/F-P干涉集成傳感器由FBG和經(jīng)過(guò)HFA刻蝕和熔接制成的F-P干涉結(jié)構(gòu)組成。光纖F-P干涉儀和FBG的工作原理如下所述。

1.1光纖F-P干涉儀傳感原理

圖1所示為光纖F-P干涉原理示意圖，從圖中可以看出，當(dāng)輸入光經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)竭_(dá)第一個(gè)光纖端面時(shí)，部分傳輸光被反射，透射的傳輸光經(jīng)過(guò)空氣腔傳輸?shù)降诙€(gè)光纖端面，部分光被端面反射。由于反射回來(lái)的光R1、R2經(jīng)過(guò)的路徑不同，因此兩束反射光之間存在光程差，相互疊加發(fā)生F-P干涉。光纖F-P干涉可以表示為[12]

2集成傳感器設(shè)計(jì)與制作

圖3所示為集成傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，由刻寫(xiě)在單模光纖纖芯的FBG、空氣腔式的F-P干涉結(jié)構(gòu)組成。首先，采用紫外刻寫(xiě)法制作FBG，光柵長(zhǎng)度為10mm。其次，利用切割刀在光柵中間將光纖切斷，將其中一端的光纖浸沒(méi)在HFA溶液中，保持10s后拿出。由于HFA溶液的腐蝕，光纖纖芯會(huì)產(chǎn)生部分凹陷。最后，采用標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖熔接模式，將處理過(guò)的光纖和切斷的光纖進(jìn)行熔接。由于HFA腐蝕產(chǎn)生了凹陷，在熔接時(shí)纖芯部位會(huì)產(chǎn)生空氣腔體，形成F-P干涉。集成傳感器制作過(guò)程如圖4所示。其中，圖4中所示的實(shí)物圖為制作完成的光纖傳感器實(shí)物照片，從圖中可以看到熔接產(chǎn)生的空氣腔體。

制作完成的集成傳感器的反射光譜如圖5所示，其光譜為FBG和F-P干涉儀反射產(chǎn)生的復(fù)合光信號(hào)，強(qiáng)窄帶峰為FBG信號(hào)，弱梳狀峰為F-P信號(hào)。FBG的中心波長(zhǎng)為1543.794nm，F(xiàn)-P干涉儀的自由光譜范圍為14.4nm，消光比約為7.9dB。

3集成傳感器性能測(cè)試

圖6所示為集成傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。光源采用寬帶光源（broadband light source，BBS）（型號(hào)：KOHERAS，Super KUersa），通過(guò)光譜分析儀（optical spectrum analyzer，OSA）（型號(hào)：Yokogawa AQ6375）來(lái)測(cè)量由FBG和F-P干涉反射而產(chǎn)生的復(fù)合信號(hào)的反射光譜。光纖環(huán)形器（fiber opticcirculator，F(xiàn)OC）1端口與光源連接，2端口與傳感器連接，3端口與光譜分析儀連接。寬帶光源輸出光傳輸?shù)郊蓚鞲衅髦?，通過(guò)FBG和F-P反射將光傳輸至光譜分析儀。

3.1傳感器應(yīng)變實(shí)驗(yàn)分析

在應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，將傳感器探頭兩端固定在平移臺(tái)（WN107TM25H，最小調(diào)整量為10μm），通過(guò)改變平移臺(tái)軸向間距來(lái)調(diào)節(jié)施加在傳感器上的應(yīng)變，用公式可以表示為[15]

式中：ΔL為平移臺(tái)軸向改變的長(zhǎng)度；L為平移臺(tái)兩個(gè)夾持裝置初始間距。平移臺(tái)夾持裝置初始長(zhǎng)度為10cm，平移臺(tái)軸向長(zhǎng)度每次改變20μm，對(duì)應(yīng)施加應(yīng)變每次改變200με。當(dāng)作用于傳感結(jié)構(gòu)的應(yīng)變從0增加至1400με時(shí)，集成傳感器的反射光譜變化如圖7（a）所示。FBG受應(yīng)變作用，波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)生漂移；F-P干涉腔受應(yīng)變作用，干涉腔長(zhǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉光譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)生漂移。圖7（b）所示為傳感器波長(zhǎng)與應(yīng)變的線(xiàn)性擬合特性，其中FBG的響應(yīng)波長(zhǎng)依然在1544nm附近，而F-P的分析峰選擇的是波長(zhǎng)1552nm附近的波谷，F(xiàn)BG和F-P干涉儀的應(yīng)變靈敏度分別為0.62μm/ε和1.9μm/ε，線(xiàn)性度分別為99.74%和99.76%。

3.2傳感器溫度實(shí)驗(yàn)分析

在溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，將傳感器探頭放置在高低溫實(shí)驗(yàn)箱中，溫度以10℃為間隔從0℃逐步上升至60℃，集成傳感器的反射光譜變化如圖8（a）所示。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，受熱光效應(yīng)影響，光纖纖芯折射率發(fā)生變化，引起FBG中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。F-P干涉儀光譜沒(méi)有發(fā)生明顯變化，由于光纖（二氧化硅）的熱膨脹系數(shù)非常小，為10?7量級(jí)，溫度的變化幾乎不會(huì)影響F-P諧振波長(zhǎng)的變化。圖8（b）所示為FBG中心波長(zhǎng)與溫度的線(xiàn)性擬合特性，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)從1543.522nm漂移到1544.031nm，靈敏度為8.48pm/°C，線(xiàn)性度為99.93%。

以上實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)-P干涉儀對(duì)溫度不敏感，其光譜漂移可以忽略不計(jì)。與FBG相比，它對(duì)應(yīng)變具有更好的靈敏度。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合FBG、F-P干涉儀的應(yīng)變靈敏度、溫度靈敏度，式（12）可以表示為

因此，集成傳感器可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時(shí)測(cè)量，也可以解決光纖光柵應(yīng)變和溫度的交叉敏感問(wèn)題。隨著應(yīng)變和溫度的變化，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)和F-P干涉的峰值發(fā)生偏移，這可能導(dǎo)致FBG和F-P的交叉效應(yīng)，特別是當(dāng)FBG波長(zhǎng)和峰值波長(zhǎng)在同一光譜范圍內(nèi)時(shí)。由于FBG為窄帶波峰，F(xiàn)-P腔的自由光譜范圍重復(fù)出現(xiàn)，因此只需選擇F-P的解算峰值波長(zhǎng)遠(yuǎn)離FBG波峰，即可避免交叉效應(yīng)。

4結(jié)論

研究了一種基于FBG和F-P的微型集成傳感器，該傳感器可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時(shí)測(cè)量，其中光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變敏感，而F-P只對(duì)應(yīng)變敏感，通過(guò)傳輸矩陣可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時(shí)測(cè)量。解調(diào)分別采用光纖光柵波長(zhǎng)解碼和F-P峰值跟蹤，避免了光強(qiáng)波動(dòng)引起的誤差。FBG的溫度和應(yīng)變靈敏度分別為8.48pm/℃和0.62μm/ε，F(xiàn)-P干涉儀的應(yīng)變敏感度為1.9μm/ε，線(xiàn)性度優(yōu)于99%。集成傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。