基于光子晶體光纖的在線壓力監測技術*

張 毅,莊 志,陳 穎

(中國工程物理研究院總體工程研究所,綿陽 621999)

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基于光子晶體光纖的在線壓力監測技術*

張 毅*,莊 志,陳 穎

(中國工程物理研究院總體工程研究所,綿陽 621999)

為了監測緊湊結構件的內部層間壓力,提出一種采用新型材料保偏光子晶體光纖為敏感單元的嵌入式壓力在線檢測技術。建立了傳感模型,采用Sagnac干涉技術組建檢測系統,并進行了實驗研究。通過實驗驗證,檢測系統輸出干涉峰值的移動量與光纖橫向壓力成線性關系,傳感器可檢測壓力范圍為0～10 kN,壓力靈敏系數為0.441 4 nm/kN,傳感器精度2.6%,且能明顯觀測到光纖上方墊層材料的松弛效應。試驗驗證敏感單元的重復性能良好,且溫度敏感系數僅為-11.8 pm/℃,使得該類傳感器具有良好的抗溫度干擾性及工程實際應用性。

光纖壓力傳感器;光子晶體光纖;Sagnac干涉儀;在線監測;應力松弛;低溫度敏感性

在兵器工程、航空航天領域,層間壓力是需要在線監測的重要數據之一,但是某些試驗件內部結構十分緊湊,使用傳統的壓力傳感器難以實現這類狹小空間內的層間壓力測量,特別是在易燃易爆的場所,可靠的測試方式可以確保產品的安全性。相比普通傳感器,光纖傳感器具有尺寸小、高精度、本質安全等優越性能,在這類特殊的場合具有獨特的優勢。目前光纖壓力傳感技術大部分研究都基于法布里珀羅干涉儀(FPI)或光纖光柵(FBG)式,兩者都能獲得光纖軸向壓力或應力變化,但當需要橫向壓力信息時,一般要通過設計特殊的結構,無疑很大程度上增加了探頭體積,且很難實現高精度或大壓力測量,為此我們研究了基于保偏光子晶體光纖的橫向壓力檢測技術[1-7]。保偏光子晶體光纖是近年來出現的一種新型材料,相比傳統保偏光纖具有更高的壓力敏感性,它的出現為傳統保偏光纖提供了一條嶄新的途徑,更加有利于提高測試精度。此外,由于這種光纖由純石英制成,溫度敏感性小,據報道高雙保偏光子晶體光纖的溫度敏感性僅0.05 pm/℃,此特性有利于提高測試系統溫度穩定性,這對傳感器的實際工程化應用是非常有價值的[8-13]。因此,利用其溫度不敏感性及較大壓力敏感性的特點,可實現對壓力的高精度傳感與檢測,且無需進行溫度補償。

1 傳感理論分析及檢測系統組建

采用Sagnac干涉技術組建多通道保偏光子晶體光纖壓力檢測系統,系統組成主要由敏感單元、窄線寬光纖激光器、光耦合器、Sagnac干涉環、大帶寬同步探測器及計算機等部分組成,通過光開關擴展測試通道,見圖1。激光器發出的光經過光纖耦合器,一路通過偏振控制器輸出給光子晶體光纖,另一路接收返回的光給探測器,由計算機記錄并分析Sagnac干涉環輸出光譜的特征峰值的波長偏移值,從而獲得施加在PM-PCF上的橫向壓力。

采用PM-PCF作為壓力敏感單元,其內部是一種特殊的多孔結構,是由大小不一且按特定規則排列的氣孔組成,見圖2。

圖1 測試系統組建框圖

圖2 PM-PCF截面微觀結構及受力圖

敏感單元傳感原理是,光束從兩個相反方向通過Sagnac環,在沒有引入外界因素干擾時,兩束光之間是固定相位差。但是當敏感單元橫向受壓后,在光纖截面內會產生應力應變,等效至x、y兩個主軸方向上,導致光纖中對應方向折射率變化,其相位差將發生變化。透射干涉譜在相位差變化影響下,干涉谷值尖峰會向某一方向移動,通過尋找波長值移動與壓力的關系,即可實現對壓力的測量,其傳感機理見式(1),其干涉光譜圖見圖3。

(1)

式中:F為給光纖施加的橫向壓力、P為壓強、σ為光纖截面產生的應力、ε為應變、ΔB為雙折射率改變量、Δφ為相位變化、Δλ為透射干涉譜波長谷值移動量。

圖3 干涉光譜圖

光波經過Sagnac干涉儀后,在光纖中傳播距離L后,兩束相反方向傳播的光的干涉相位差可以用下式表示[14]:

(2)

式中:B為保偏光子晶體光纖的雙折射差。在受到外界壓力時,式(2)中的雙折射大小以及光纖長度會改變,相位延遲波動量由兩部分組成:

(3)

式中:ΔB表示雙折射的變化量,ΔL表示光纖在軸向方向上的長度變化,對于光子晶體光纖截面空氣孔結構,光波在被由空氣孔限制的纖芯內傳播,纖芯處各向折射率的變化是產生雙折射變化的主要因素;壓力作用在敏感光纖上,致使軸向方向上的長度改變,光波在光纖中傳播的有效光程發生變化。

衡量靜壓力對光子晶體光纖的影響,由于作為敏感單元的光子晶體光纖在常溫常壓下處于無應力的自然狀態,纖芯處的附加應力完全由外部靜壓力產生,靜壓力作用下因應變產生的形變量較小,對纖芯傳播光相位影響可以忽略。

在光纖的內部,3個主應力方向上,應力場改變了光纖的介電常數或折射率分布引起了光纖傳輸特性的變化,使介質變為各向異性更加明顯,產生了雙折射。各向應力對材料折射率的影響服從以下公式

(4)

因此,可以求出雙折射差為:

ΔB=Δnx-Δny=(C1-C2)(σx-σy)

(5)

Sagnac環中正反兩束光經過雙折射光纖后產生相位差,形成了干涉條紋,由于壓力導致的干涉光譜峰值偏移為:

(6)

式中:C1=-6.9×10-13m2/N、C2=-41.9×10-13m2/N是純石英材料的彈光系數其差值是常數,由式(6)可見波長移動量與x、y兩快慢軸的應力差成正比關系,既Sagnac干涉環輸出干涉譜的特征峰值移動量與光纖所受的橫向壓力值成正比關系。

2 實驗及分析

通過標定實驗的實驗數據可以分析壓力與輸出干涉譜峰值偏移量之間的對應關系,實驗裝置見圖4,采用精度為0.5%的材料實驗機進行壓力加載,材料試驗機加載數據作為標準壓力值與測試系統輸出光譜波長偏移量做比對。敏感單元為PM-PCF,安裝于材料實驗機的直徑80 mm的不銹鋼加載平面上。材料試驗機力加載夾具可以微調加載平面姿態,以確保壓力施加在敏感單元的法線上。分別進行了裸光纖、單層墊層材料、上下雙層墊層材料的力加載試驗。由于裸光纖在加載到150 N后波形變形,說明敏感單元開始破損,所以本文中介紹的是放置于面積為80 mm×50 mm×0.8 mm的高分子墊層材料下的PM-PCF受壓實驗。

圖4 實驗設備

2.1 壓力加載實驗

設置材料實驗機加載參數,將壓力從0 kN逐漸升高到10 kN,步進值500 N,將PM-PCF分x、y2個方向分別安裝后,記錄PM-PCF快慢軸輸出的波長峰值位移,實驗結果如圖5所示。

圖5 壓力測量實驗曲線

通過實驗數據可以看出PM-PCF兩軸的壓力敏感系數不同,求出慢軸的擬合曲線為y=0.441 4x+0.011 2,快軸的擬合曲線為y=-0.146 9x-0.033 1。由實驗數據可以分析出加墊層材料后傳感器的壓力敏感系數為0.4 nm/kN,量程10 kN,測量精度為2.6%,通過實驗證明光子晶體光纖測量橫向壓力時具有良好的線性度、測量精度、靈敏度,并可進行大量程壓力測量。從實驗結果可以看出由于慢軸的敏感系數與壓力成正比且與壓力的敏感度高,而快軸敏感系數與壓力成反比,表現在波長偏移前者向右移動,后者反向移動。因此通常采用慢軸作為敏感軸,采用PM-PCF作為壓力敏感單元時,在安裝過程中必須區分敏感軸方向,這無疑給實際操作帶來很多不便,所以我們采用特殊材料對敏感單元進行封裝,封裝后敏感單元靈敏度有很大提高且易于安裝。

2.2 材料松弛實驗

將光子晶體光纖置于單片80 mm×50 mm×0.8 mm的高分子墊層材料下,將兩者置于材料試驗機上下兩加載平面夾具之間。由于材料試驗機加載方式分為力控和位控兩種,此處采用位移控制方式對墊層施加一定的預緊力,將墊層材料從0.8 mm的初始厚度壓縮為0.28 mm保持此位移量,實時記錄材料實驗機的壓力曲線和干涉譜波長偏移曲線,實驗結果如圖6所示。

圖6 材料松弛實驗曲線

圖6中直線是材料試驗機的壓力數據值,抖動的曲線是測試系統檢測的波長偏移值。兩者進行對比發現下降趨勢基本一致,但后者數據有一定的波動,分析原因是由于材料試驗機上的位移傳感器精度比力傳感器精度低,其位移控制精度不夠造成測試系統輸出信號的抖動,通過此試驗可以看出光子晶體光纖壓力敏感單元可以探測出形變材料的松弛現象。

2.3 重復性試驗

去高分子墊層材料,將帶涂覆層、不帶基底材料、敏感長度為65 mm的2根裸光纖PM-PCF平行安裝于材料試驗機加載平面內,進行壓力加載實驗,加載量程從0～350 N,再從350 N～0 N,步進25 N,往返3次,采用力控方式加壓,速度為0.3 N/s,每一步進力保持30 s。

兩根光纖平分壓力值,在0～350 N的壓力范圍內,輸出光譜的譜型良好,實驗曲線見圖7,可以看出在未封裝未加墊層材料情況下,PM-PCF材料本身的重復性能良好。

圖7 重復實驗曲線

2.4 溫度特性實驗

為考核光子晶體光纖壓力傳感器溫度特性,將其至于恒溫箱中,溫度從-50 ℃升高到50 ℃,步長為10 ℃。通過圖8的實驗曲線可以求出溫度敏感系數為-11.8 pm/℃,與壓力敏感系數相差幾個數量級,所以這種傳感器具有優良的抗溫度干擾特性,可適用于溫度變化劇烈的場合,且無需對傳感器探頭進行溫度補償,。

圖8 溫度特性實驗曲線

3 總結

光子晶體光纖是一種新型材料,由純石英材料制備,不但具有普通光纖的體積小、本質安全等特性,還具有高壓力敏感性和低溫度敏感性,使得其在工程應用方面具有其他光纖傳感技術難以企及的優勢。通過實驗驗證了光子晶體光纖可以實現大量程的橫向壓力監測,測量精度和壓力敏感度高、線性度好,還具有優良的抗溫度干擾性能。所以通過這種新技術可以解決某些狹小空間內的高精度壓力在線監測難題,下一步還需通過大量實驗對傳感器探頭結構優化、安裝工藝等方面展開進一步研究工作,力求將這種先進的測試技術應用到實際工程中。

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On-Line Pressure Monitoring Method Based on Photonic Crystal Fiber*

ZHANGYi*,ZHUANGZhi,CHENYing

(Institute of Systems Engineering.CAEP,Mianyang Sichuan 621999,China)

In order to monitor inter layer pressures in especial compact structure,an on-line and embedded pressure monitoring method is proposed using a new type of material as sensing element,that is polarization-maintaining photonic crystal fiber(PM-PCF). Sensing model is analyzed and measurement system based on Sagnac interferometer is set up to do the calibration experiments. The experiment results show that the output interference fringes of measurement system are shifted linearly with pressures,the dynamic range of sensor is 0～10 kN,sensing precision is 2.6%,pressure sensitivity is 0.441 4 nm/kN,the strain relaxation phenomenon of cushion on the PM-PCF can be observed obviously,and the good repeatability of sensing element is validated by the experiment. The sensor has better engineering practicability and capability to restrain interference brought up by fluctuation of environment temperature,which temperature sensitivity is only -11.8 pm/℃.

fiber optic pressure sensor;photonic crystal fiber;sagnac interferometer;on-line monitoring;relaxation response;low temperature sensitivity

張 毅(1974-),女,漢族,中國工程物理研究院高級工程師,1997年7月畢業于電子科技大學檢測技術及儀器專業,2002年12月獲四川大學測試技術及儀器專業碩士學位,研究方向為光電檢測技術。工作于中物院總體工程研究所,從事環境試驗動態測試技術及環境試驗裝備技術研究工作,承擔過多項科研工作,發表過科研論文幾十余篇,其中核心和EI檢索多篇,zyhjh2493293@sina.com;

莊 志(1973-),男,漢族,中國工程物理研究院高級工程師,1995年畢業于重慶大學自動化系檢測技術及儀器專業,長期在中物院總體工程研究所從事環境試驗靜態測試技術研究,獨立承擔過多項靜態測試技術方面的科研工作。

項目來源:國防技術基礎項目(JSHS2012212A002)

2014-08-14 修改日期:2015-02-10

C:7230E;7320

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.001

TP212.9;TN247

A

1004-1699(2015)05-0613-04