一種基于錐形石英毛細管的光纖法珀應變傳感器

李 晶,孟立凡*,李 菠,劉春美

(1.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051;2.公安部第一研究所,北京 100048)

一種基于錐形石英毛細管的光纖法珀應變傳感器

李 晶1,孟立凡1*,李 菠1,劉春美2

(1.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051;2.公安部第一研究所,北京 100048)

利用一種新型光纖法布里-珀羅干涉儀,制作出一種光纖應變傳感器。通過將一段石英毛細管與單模光纖熔接在一起,并將石英毛細管熔接部位熔為錐形制作而成。理論分析了傳感器的工作原理與靈敏度,搭建了傳感器應變測試系統。實驗表明:在常溫(20 ℃)下,采用波峰(谷)追蹤法解調,傳感器對應變有良好的線性響應,且靈敏度為1.34 pm/με,最小應變分辨率為3.73 με,傳感器的溫度敏感系數約為5.66 pm/℃。因此,該傳感器在應變測試中存在一定的潛在應用價值。

應變傳感器;光纖;法布里-珀羅;石英毛細管

現代社會中,應變傳感器被廣泛地應用于大跨度橋梁、水壩、隧道等重要建筑的安全健康監測中[1-3]。光纖應變傳感器因具有尺寸小、精度高、抗電磁干擾等優點,逐漸成為應變測試的重要研究內容[4-5]。目前,光纖應變傳感器多種多樣,主要包括基于光纖布拉格光柵[6-8]、法布里-珀羅干涉儀[9-11]、馬赫-增德爾干涉儀[12-13]、光子晶體光纖[14]、光纖反射環[15]等的結構。

傳統基于光纖布拉格光柵的應變傳感器存在光纖靈敏度難以提高、溫漂大等問題[6-7];基于馬赫-增德爾干涉儀的應變傳感器一般需要用到光纖錯位焊接以及環路檢測系統,加工難以控制[12,16];基于光子晶體光纖的應變傳感器成本較高[14]。因此,光纖法珀應變傳感器成為光纖應變傳感器研究熱點。目前,利用化學腐蝕[17-18]、電弧放電[10]、光子晶體光纖應用[14,19]等技術制作出了各種結構的光纖法珀應變傳感器,不同的結構也表現出了不同的優缺點。

本文設計了一種基于錐形石英毛細管的光纖法珀應變傳感器,分析了傳感器的工作原理和理論應變靈敏度,測試了傳感器的應變響應,并分析了溫度對傳感器零位輸出的影響。傳感器結構簡單、加工方便、成本低廉。

1 光纖法珀應變傳感器的結構和加工

圖1(a)為傳感器結構示意圖。它的制作過程為:(1)首先用光纖切割刀將單模光纖SMF(Single Mode Fiber)(Corning,SMF-28)和石英毛細管端面切平;(2)用光纖熔接機(FITEL,S183 version 2,Japan)將單模光纖與石英毛細管熔接在一起;(3)在顯微鏡下將石英毛細管切斷,并保留其適當長度。其中SMF的直徑為125 μm,纖芯直徑為9 μm;石英毛細管內外徑分別為125 μm和22 μm。在熔接時,適當增強放電強度和時間,使石英毛細管前端塌陷為錐形。熔接經驗表明,當光纖熔接機初始和結束放電強度為100 unit,放電時間為600 ms時,石英毛細管最前端內徑為5 μm左右。為方便傳感器后續固定,石英毛細管長度保留較長。圖1(b)為電子顯微鏡下傳感器側面與截面圖,石英毛細管長度為2 191 μm。

圖1 傳感器結構示意圖和傳感器側面與截面圖

圖2 傳感器干涉光譜圖

2 光纖法珀應變傳感器的光學干涉原理

光沿SMF傳播時,90%以上的光能量分布在纖芯中。在光纖-石英毛細管反射面(R1)處,由于錐形區域前端內徑小于光纖纖芯直徑,纖芯中一部分光在錐形區域的前端反射,纖芯中剩余的光和包層中的光進入石英毛細管,在石英毛細管端面(R2)反射。兩部分反射光進入光纖中,相互干涉,形成干涉條紋。根據文獻[10],干涉條紋可以由式(1)得到

(1)

式中:I1和I2分別為光在R1面和R2面的反射光強,其值與反射面的反射率和錐形區域前端內徑有關;φ為兩部分光的相位差,可以由式(2)得到

φ=4πnL/λ

(2)

式中:n為石英毛細管的折射率,L為石英毛細管的長度,即法珀腔的腔長,λ為光的波長。圖2為石英毛細管長度為2 191 μm時的干涉光譜圖。從圖2可以看出,干涉光譜強度為-39 dB,對比度為7 dB左右,且纖細度較高。

3 光纖法珀應變傳感器的工作原理及靈敏度分析

從式(1)可以看出,當干涉光譜達到最小值時,即光在波谷位置時,相位滿足

φm=4πnL0/λm=(2m+1)π

(3)

式中:L0為法珀腔的初始腔長,m為整數,λm為干涉光譜第m級波谷位置處的光波長。

當有應變作用在法珀腔上時,法珀腔腔長會發生變化。根據式(1)和式(2)以及模擬仿真可知,干涉光譜會發生左右移動。傳感器法珀腔腔長的變化可以由式(4)得到

ΔL=ηΔεL0

(4)

式中:Δε為懸臂梁單位長度上產生的應變,η為應變從懸臂梁傳遞到傳感器上的傳遞系數,且η≤1。當第m級干涉波谷波長從λm移動到λm+Δλm時,相位仍為同一級的相位,即滿足

(5)

將式(4)代入到式(5)中,可以簡化得到應用波峰(谷)追蹤解調方法時應變傳感器的靈敏度為

Δλm/Δε=ηλm

(6)

從式(6)可知,如果選擇波長為1 550 nm附近的波峰(谷)進行解調,傳感器的最大靈敏度為1.55 pm/με,此時應力傳遞系數η=1。

4 光纖法珀應變傳感器的實驗測試

圖3(a)為傳感器應變測試系統示意圖。使用應變膠(KYOWA,#2129,Japan)將傳感器粘結在等強度懸臂梁上,懸臂梁末端連接重物,使懸臂梁產生應變。傳感器末端光纖連接激光掃描式光譜分析儀OSA(Optical Spectrum Analyzer)(Micron Optics Inc.,SM125,America)和電腦,OSA的掃描范圍為1 510 nm～1 590 nm,掃描精度為5 pm。圖3(b)為傳感器與懸臂梁裝配俯視示意圖,懸臂梁材料為黃銅片,等腰三角形結構使懸臂梁表面各個點的應變相等。懸臂梁上的應變可以由式(7)得到

(7)

式中:E為懸臂梁材料彈性模量,l、b和h分別為懸臂梁的長度、寬度和厚度,m為重物的質量,g為重力加速度。

為避免測試誤差,我們制作了法珀腔腔長分別為1 823 μm和2 207 μm的兩個樣本傳感器(樣本1和樣本2)分別進行了測試。測試環境溫度約為20 ℃。

圖3 傳感器測試系統示意圖和傳感器與懸臂梁裝配俯視示意圖

圖4 樣本1和樣本2的傳感器光譜移動圖

按照圖3(a)的系統安裝圖,將傳感器粘結在懸臂梁上,末端重物以15 g為步進增加至180 g,相應的應變從0 με變化至385 με。記錄不同重物時傳感器的干涉光譜。圖4(a)和圖4(b)分別為樣本1和樣本2傳感器從0 με變化至321 με時的光譜。從圖4可以看出,當應變逐漸增加時,干涉光譜逐漸往長波長方向發生移動。選擇干涉光譜在1 566 nm附近處的波谷進行記錄。

圖5為傳感器波長移動與應變關系圖。從圖5可以看出傳感器對應變具有良好的線性響應,樣本1和樣本2的響應靈敏度分別為1.34 pm/με和1.10 pm/με,擬合系數分別為99.72%和99.79%。這與傳感器最大靈敏度的理論值1.566 pm/με比較接近。此時,兩只傳感器應變傳遞系數分別為85.57%和70.24%。結合OSA的掃描精度,兩樣本傳感器能分辨的最小應變精度分別為3.73 με和4.55 με。

圖5 傳感器應變響應特性

為了研究傳感器對溫度的響應,我們將傳感器置于馬弗爐(Nabertherm,sn209012,Germany)中,并設置馬弗爐的溫度從室溫(20 ℃)升至100 ℃,每次步長10 ℃并保溫5 min,記錄傳感器的干涉光譜。圖6為傳感器光譜移動與溫度關系圖。從圖6可以看出傳感器對溫度變化有很好的線性響應,傳感器樣本1和樣本2的溫度靈敏度分別為5.66 pm/℃和 5.62 pm/℃。傳感器應變-溫度交叉系數為4.22 με/℃ 和5.10 με/℃。

圖6 傳感器溫度響應特性

5 結束語

本文利用一種新型的法珀干涉儀,制作出了一種光纖應變傳感器。理論分析了傳感器的干涉原理和采用波峰(谷)追蹤法解調時的應變靈敏度。將傳感器粘結在等強度懸臂梁上進行實驗測試,結果表明常溫下傳感器對應變有良好的線性響應。實驗還測試了傳感器的溫度敏感系數,分析了溫度誤差。實驗表明傳感器具有潛在的應用價值。

[1] 畢衛紅,鄭繩植. 光纖法布里-珀羅干涉式應變的測量[J]. 光子學報,1999,28(6):542-545.

[2] 單崇雷. 基于光纖光柵傳感技術的井筒在線監測應用[J]. 礦業工程研究,2016,31(1):6-10.

[3] Deng M,Tang C P,Zhu T,et al. PCF-Based Fabry-Pérot Interferometric Sensor for Strain Measurement at High Temperatures[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(11):700-702.

[4] 李志全,朱丹丹. 一種新型光纖法布里-珀羅應變干涉儀[J]. 光學技術,2003,29(4):418-419.

[5] Zhang L,Liu Y M,Gao X L,et al. High Temperature Strain Sensor Based on a Fiber Bragg Grating and Rhombus Metal Structure[J]. Applied Optics,2015,54(28):109-112.

[6] Li K,Zhou Z A. A High Sensitive Fiber Bragg Grating Strain Sensor with Automatic Temperature Compensation[J]. Chinese Optics Letters,2009,7(3):191-193.

[7] Fraz?o O,Silva S,Guerreiro A,et al. Strain Sensitivity Control of FIBER BRAGG GRATING STRUCtures with Fused Tapers[J]. Applied Optics,2007,46(36):8578-8582.

[8] 李立新,吳飛,蔡璐璐等. Bragg光纖光柵法布里-珀羅應變傳感器研究[J]. 傳感技術學報,2006,19(3):806-809.

[9] Ferreira S M,Roriz P,Bierlich J,et al. Fabry-Perot Cavity Based on Silica Tube for Strain Sensing at High Temperatures[J]. Optics Express,2015,23(12):16063-16070.

[10] Liu S,Wang Y P,Liao C R,et al. High-Sensitivity Strain Sensor Based on in-Fiber Improved Fabry-Perot Interferometer[J]. Optics Letters,2014,39(7):2121-2124.

[11] Yin C C,Cao Z G,Zhang Z,et al. Temperature-Independent Ultrasensitive Fabry-Perot All-Fiber Strain Sensor Based on a Bubble-Expanded Microcavity[J]. IEEE Photonics Journal,2014,6(4):1-9.

[12] Choi H Y,Kim M J,and Lee B H. All-Fiber Mach-Zehnder Type Interferometers Formed in Photonic Crystal Fiber[J]. Optics Express,2007,15(9):5711-5720.

[13] Men L Q,Lu P,and Chen Q Y. Femtosecond Laser Trimmed Fiber Taper for Simultaneous Measurement of Axial Strain and Temperature[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(5):320-322.

[14] 饒云江,黎宏,朱濤等. 基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉式高溫應變傳感器[J]. 中國激光,2009,39(6):1484-1488.

[15] Sheng X J,Zhao Y,Zhao F. A Novel Temperature and Strain Sensing Method Based Onhigh-Birefringence Fiber Loop[J]. Optik,2014(125):5254-5256.

[16] Cao Z G,Zhang Z,Ji X C,et al. Strain-Insensitive and High Temperature Fiber Sensor Based on a Mach-Zehnder Modal Interferometer[J]. Optical Fiber Technology,2014,20:24-27.

[17] Pevec S,Donlagic D. All-Fiber,Long-Active-Length Fabry-Perot Strain Sensor[J]. Optics Express,2011,19(26):15641-15651.

[18] Tafulo P,Jorge P,Santos J L,et al. Fabry-Pérot Cavities Based on Chemical Etching for High Temperature and Strain Measurement[J]. Optics Communications,2012,285:1159-1162.

[19] Ferreira M,Bierlich J,Kobelke J,et al. Towards the Control of highly Sensitive Fabry-Pérot Strain Sensor Based on Hollow-Core Ring Photonic Crystal Fiber[J]. Optics Express,2012,20(20):21946-21952.

Fiber-OpticFabry-PerotStrainSensorBasedonTaperedSilicaCapillaryTube

LIJing1,MENGLifan1*,LIBo1,LIUChunmei2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.The First Research Institute of Ministry of Public Security,Beijing 100048,China)

A fiber-optic strain sensor is fabricated by adopting a novel fiber-optic Fabry-Perot interferometer,which is fabricated by fusing a section of silica capillary tube to a single mode fiber(SMF)and collapsing the silica capillary tube at around the fusion point to be taper. Operating principle and sensitivity of the strain sensor are analyzed in theory. Corresponding strain measurement system is constructed. The experimental results show the sensor has a linear response to strain with a sensitivity of 1.34 pm/με at room temperature(20 ℃)by adopting the modulation of tracking wavelength peak or valley. The minimum strain resolution is 3.73 με. The temperature sensitivity is about 5.66 pm/℃. Thus the sensor has potential to be applied in the measurement of strain.

strain sensor;optical fiber;Fabry-Perot;silica capillary tube

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.011

2016-10-23修改日期2016-12-19

TP212

A

1005-9490(2017)06-1383-04

李晶(1990-),女,碩士研究生,研究方向為測試計量技術及儀器,lijing1510101@163.comm;

孟立凡(1955-),女,通信作者(導師),漢族,中北大學教授,研究領域為測試計量技術及儀器,menglifan@nuc.edu.cn。