高溫光纖布拉格光柵“T”型應變片技術研究*

曾 虹，樂淑萍，劉月明

(1．杭州電子科技大學計算機學院，杭州310018;2．南昌航空大學測試與光電工程學院，南昌330039;3．中國計量學院光學與電子科技學院，杭州310018)

對于高溫環境下的應變測試，由于測量環境比較惡劣，一直是現代科技工程中時常遇到的技術難題，比如:高溫壓力管道和高溫壓力容器應變測試問題。目前常用的高溫應變測試技術方案為高溫電阻應變片技術[1]，但由于電阻應變片在高溫時工作穩定性較差，而且其相應電路更是無法在高溫下正常工作，因此電阻應變片在實際高溫應變測試中精度較差，且容易引起燃爆事故。布拉格光纖光柵(FBG)自1978年發明以來一直都是光纖傳感技術的熱點之一[2－3]，FBG 具備對結構表面應變實施高精度和準分布式多點監測的能力，方便構成各種形式的光纖傳感網絡[4]。雖然對于高溫應變監測，還有其他的光纖傳感技術方案可供選擇，比如:光纖法布里－珀羅(F－P)干涉腔傳感技術方案[5]，但是，較之FBG器件，F－P光纖傳感器件存在傳感信號弱、制作工藝困難、信號解調難以及組網困難等技術缺點，綜合考慮之下，目前FBG成為高溫環境下最為適用的應變檢測技術方法。

光纖光柵一般可分為布拉格光纖光柵(FBG)和長周期光纖光柵(LPG)，目前FBG在常溫下應用廣泛，而且技術較為成熟，但是普通的FBG在200℃以上環境時會出現所謂光柵結構的“擦除”現象，因而無法工作于200℃以上的高溫環境[6－7]。長周期光纖光柵(LPG)出現于上一世紀末期，目前經過特定工藝方法寫入的LPG可以達到耐300℃以上高溫的性能，此類耐高溫 LPG有多種工藝制備方法[8－10]。目前耐高溫LPG制作工藝普遍難以控制，光柵刻制的重復性較差，加之LPG帶寬較大，復用效率很低，信號解調技術也不成熟，因此本文優選耐高溫FBG作為高溫應變測試的敏感器件。

為解決普通FBG不能耐200℃以上高溫的問題，本文選用特種聚酰亞胺(Polyimide)涂覆層光纖，采用光纖載氫刻寫和高溫煺火工藝，成功制備出了可在300℃高溫下正常工作的耐高溫光纖光柵，設計加工了適于表面二維應變測試的“T”型高溫FBG應變片，并對封裝后的“T”型高溫FBG應變片進行了溫度和應變性能測試．

1 高溫應變FBG的制作及技術特性

FBG器件的工作機理基于光纖傳輸模式耦合理論，滿足相位匹配條件的傳輸光通過FBG時由于模式耦合會被反射，反射光的中心波長稱為布拉格(Bragg)波長，表示為

其中neff稱為FBG的有效折射率，Λ稱為FBG的有效周期。當待測應變改變FBG的有效周期Λ時，則FBG反射中心波長會發生相應移動Δλ，檢測該移動量就可以實現對待測應變的檢測。

1．1 光纖材料及制作

普通光纖的涂覆層由于高溫燒毀而不能保護光纖內部的包層和纖芯，在300℃的高溫下會出現光柵結構的擦除現象，所以為了使光纖光柵在300℃的高溫環境下能夠正常應用，需要對其涂覆層進行改良。經過篩選，本文選擇了聚酰亞胺(Polyimide)光纖。聚酰亞胺是一種高溫環境下綜合性能良好的有機高分子材料，Polyimide光纖的涂覆層能夠很好的保護包層和纖芯，具有優越的抗扭曲、抗震動等性能，適合在－200℃ ～350℃的溫度范圍內使用。

Polyimide光纖光柵的制備過程一般包括光纖載氫、紫外刻寫、高溫煺火三個階段。首先將Polyimide光纖放置在壓強為120 MPa、溫度為60℃的載氫池中進行48 h載氫;然后用準分子激光器以相位掩模板法在載氫之后的Polyimide光纖上刻寫光柵。

1．2 Polyimide光纖光珊性能

為了驗證耐Polyimide光纖光柵高溫FBG的高溫特性，對其進行了高溫煺火特性實驗，將制備好的Polyimide光纖光柵置于300℃環境下進行了500 min的熱衰變實驗，特性曲線如圖1所示，可見該光柵在恒溫箱中最初特征波長略有漂移，時隔8 h后中心波長穩定在1 552．5 nm，透射率穩定在8 dB，證實該光纖光柵在300℃高溫環境下可以正常工作。

圖1 耐高溫LPFG的熱衰變及透射率特性

2 高溫應變FBG應變片的設計及封裝

利用耐高溫FBG進行應變檢測，必須將FBG光柵封裝成適于測試的應變片形式，考慮到待測物體表面的應變一般為二維分布，因此要求所設計的FBG應變片具備二維應變測試的能力，且所用結構材料必須在300℃環境下可靠工作。本文為此設計封裝了“T”結構的高溫光柵應變片。

2．1 “T”型應變片設計

考慮到FBG應變片的二維測試要求，設計了“T”型結構應變片形式，結構如圖2所示。應變片基底材料采用了耐高溫、遲滯效應小和高溫性能恒定的恒彈合金10MoWNNb，應變片上共粘貼三個高溫光纖光柵，兩個沿“T”型結構應變片的橫向，分別為FBG1和 FBG3，另一個沿應變片的縱向，為FBG2。應變片金屬基片厚度設計為0．2 mm，這種薄片結構設計可以保證待測物體表面應變可以有效傳遞到FBG上，其中FBG1可用于反映表面橫向應變，FBG2用于反映表面縱向應變，FBG3通過單端粘接封裝只感受溫度影響，用作溫度補償光柵[11]。

圖2 FBG應變片結構圖

2．2 “T”型應變片結構封裝

將光纖光柵封裝在“T”型金屬基底上有許多技術關鍵需要考慮，第一是光柵的粘接方法，必須選擇高溫性能優良的粘接劑，具備300℃環境下足夠的粘接強度和工作穩定性;第二，考慮到待測應變可以是拉應變或者壓應變，光柵在粘接時需要適當的預拉伸;第三，光柵的膠粘方法可以采用兩端粘接或者整體膠封，兩端粘接工藝簡單，但傳感器工作的可靠性較差，光柵區域的整體膠封是指將整個光柵敏感體用高溫膠均勻的粘接在應變片基底上，這種方法光柵與周圍空氣隔絕，光柵得到很好的保護，但工藝要求膠粘具有很好的均勻性，以免出項光柵工作時的啁啾，影響應變片的工作性能;第四，為方便安裝，需要在“T”型金屬基片的光柵安裝位置加工矩形淺槽，矩形槽的主要作用在于保證將光纖光柵粘結在基片上時膠水分布均勻。

3 高溫應變FBG應變片的實驗測試

3．1 實驗測試裝置

實驗裝置示意圖如圖3所示。由寬帶光源(BBS，1 550 nmSLD臺式光源)發出的光，經過光纖3 dB耦合器入射到FBG中，由光柵反射回的信號再經耦合器送到光譜儀(OSA，AQ6370)中，由此檢測FBG反射中心波長的漂移量。將耐高溫FBG1(中心波長為1 448 nm，反射率為95．26%)和耐高溫FBG2(中心波長為1 560 nm，反射率為95．99%)粘結于“T”應變片基底上，同時將耐高溫FBG3(中心波長為1 549 nm，反射率為95．26%)單端粘結于基底上。然后再將等強度梁置于恒溫箱(GHX－50)中，溫度值由恒溫箱控制，實驗中由高溫箱外的掛載砝碼提供加載，等強度懸臂梁的上下表面分別產生拉應變和壓應變。同時高溫電阻應變片結合應變測量儀提供懸臂梁的實際應變比對值。

圖3 實驗裝置示意圖

上述實驗裝置中，選用等強度懸臂梁加載待測應變，FBG的中心波長會隨著懸臂梁載荷的改變而發生漂移。等強度懸臂梁示意圖如圖3所示，根據材料力學的懸臂梁彎曲理論，可推導得等強度梁彎曲時其表面應變ε為[12]

式中F為作用在加載點的載荷，L、B、h、E分別為等強度懸臂梁的長度、寬度、厚度和彈性模量，實驗中等強度懸臂梁的 L、B、h、E 分別為300 mm、40 mm、3．5 mm。

圖4 “T”型應變片的溫度特性

3．2 實驗測試結果

按圖3所示實驗裝置對“T”型應變片沿懸臂梁軸線粘貼的溫度和應變特性進行了實驗測試，FBG1、FBG2分別沿“T”型應變片的橫向和縱向貼裝，實驗得到圖4所示的三個光纖光柵FBG1、FBG2和FBG3的溫度敏感特性，其對溫度的靈敏系數分別為 21．3 pm/℃、21．2 pm/℃和 10．3 pm/℃，并呈現良好的線性。FBG3作為溫度參考柵，其單端與應變片粘接，其溫度靈敏系數比FBG1和FBG2要小，基本上與裸柵的溫度靈敏系數相當，實際測試時可以作為溫度補償光柵使用。

光柵應變片應變測試中通過砝碼使等強度懸臂梁上表面產生拉應變，下表面產生壓應變，每次加載250 g，加到2 kg后進行對稱卸載。光譜儀設定的掃描時間為1 min，在保證實驗箱溫度恒定條件下連續加載卸載。連續加載卸載3次后，求進回程均值最為測試結果，然后將測試結果數據進行擬合，得到FBG1和FBG2對應拉應變和壓應變的測試敏感特性如圖5和圖6所示。由圖可以計算出，FBG1的拉應變靈敏度為1．12 pm/με，FBG2 的壓應變為1．15 pm/με。

圖5 T型應變片FBG1的拉應變測試特性

圖6 “T”型應變片FBG2的壓應變測試特性

4 結論

本文對一種“T”型結構的高溫光纖光柵應變片技術進行了研究，該應變片采用高溫恒彈合金作為工作基底，采用三個Polyimide光纖光柵的二維組合結構，實現對高溫目標表面的溫度和二維應變測試。文中對Polyimide光纖光柵的制備方法和“T”型光纖光柵應變片的設計封裝技術進行了研究，并采用等強度懸臂梁方法對封裝的“T”型應變片樣品進行了高溫和應變測試，驗證了高溫光纖光柵應變片的工作性能。

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