光纖溫度/應變復合傳感器及其在800℃高溫下的應用

柴葳，郝慶瑞，寶劍光，2

1.中國飛機強度研究所，陜西西安710065

2.英國諾丁漢大學，英國諾丁漢NG72RD

近年來，隨著高超聲速飛行器的快速發展，對地面結構熱強度模擬試驗技術提出了更高的要求。出于安全原因，必須進行大量且嚴格的地面試驗，以評估這些高超聲速材料和結構的隔熱性能和位移/應變響應。作為結構熱強度試驗中不可或缺的一環，高溫下的物理量（如位移、溫度、應變、熱流等）測試技術也隨之成為研究的重點。特別是在高溫環境下的應變測量更一直以來是困擾相關研究人員的難題[1,2]。傳統上，使用黏結或焊接在測試樣品上的傳統電阻應變儀測量曝露于外部環境的材料的高溫應變。然而，這種方法受到應變片絲柵的耐溫極限和粘貼劑的耐溫能力所限制，在工程試驗中僅實現了平面金屬基底最高溫度800℃的高溫應變，且誤差較大，標準梁上安裝的應變計測量精度僅為20%～30%[3,4]。

光纖光柵傳感技術就是以利用反射波長對溫度、應變和壓力等物理量的敏感特性的光纖傳感器為基礎的一種新型傳感技術。20世紀70年代末，K.O.Hill等利用駐波寫入法制作了第一根光纖光柵。但是直到20世紀80年代末，隨著W.W.Morey和G.Metltz為首的研究學者們不斷改進光纖光柵的寫入裝置與工藝，迅速提升了光纖光柵的制作效率、降低了生產成本[5]。同時他們首次提出光纖光柵對外界環境施加的溫度、應變表現出規律性敏感的相關研究，挖掘了光纖光柵作為傳感器的潛在應用價值，由此開辟了光纖光柵應用于傳感方面的新領域。光纖光柵從而迅速成為國內外學者的研究熱點。光纖傳感器作為新一代的智能傳感技術，具備質量輕、體積小、抗電磁干擾、便于組網、耐高低溫、易于嵌入且與復合材料纖維親和性兼容性好等諸多優點，近年來被廣泛應用在針對復合材料結構的溫度、應力等多種參數的在線監測領域[6-10]。

本文針對地面熱強度試驗需求，引入了一種可實現溫度和應變同步測量的集成光纖傳感器，首次在實際工程環境中使用該新型結構開展了800℃高溫下的溫度應變實時同步測量可行性探索研究，并將試驗與相同條件下的數字圖像相關法測得的應變值進行了對比。

1 光纖光柵傳感器

光纖沿徑向從里到外分為纖芯、包層和涂履層三部分，光纖光柵是用特殊的紫外光照射工藝，光纖纖芯折射率受到永久的周期性微擾而形成的一種光纖無源器件，光纖光柵能將滿足一定波長條件的入射光反射。溫度和應變的變化會引起光纖光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖光柵的反射譜和透射譜發生變化，通過檢測光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應的溫度和應變的信息，這就是光纖光柵測量溫度和應變的基本原理。

1.1 光纖光柵傳感器原理

光纖光柵是利用摻雜光纖的光敏特性，使外界入射光子和纖芯內的摻雜粒子相互作用，從而導致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性變化，在纖芯內形成空間相位光柵。當光進入光纖時，光纖光柵會對與光柵相匹配的特定波長的光進行反射，而對其他波長的光進行透射。光纖光柵傳感技術就是利用反射波長對溫度、應變和壓力等物理量的敏感特性并以此為基礎的一種新型傳感技術，其原理如圖1所示。這種傳感器的缺點在于單一傳感器情況下無法解耦應變與溫度。

圖1 布拉格光纖光柵傳感器工作原理Fig.1 Working principle of Bragg fiber grating sensor

當FBG 傳感器處于自由狀態，不受外力的影響，只感應外界溫度的變化時，假定光纖光柵的中心波長為λB，當外界溫度變化為ΔT時，根據光纖光柵溫度傳感原理可知：

1.2 FP光纖光柵傳感器原理

光纖FP腔是在光纖內制造兩個反射層，形成一個具有一定長度的微腔，光束在兩個反射端面發生反射后原路返回，相遇并發生干涉。當外界壓力或位移等參量發生變化時，造成微腔長度的變化，從而引起干涉信號的變化，光纖FP腔就是以此實現對于外界參數的傳感，其結構如圖2所示。

圖2 非本征光纖光柵傳感器Fig.2 Non-intrinsic grating fiber optic sensor

將含FP腔的光纖固定在待測基體的表面，當待測基體出現形變時，連接部會帶動傳感器的腔長發生相應的變化，同時傳感器的干涉光譜上也會出現干涉峰峰值的波長移動。假定傳感器的測量標距為L，初始的FP 腔長為l，由外界形變引發的腔長變化為Δl。根據FP 傳感器的雙峰解調原理，設λ1，λ2分別為FP 干涉峰的相鄰兩個波峰的峰值波長。根據上述描述可以得到方程組（2）：

由于解調設備具備針對FP 干涉峰相鄰波峰的實時追蹤以及實時保存的功能，則通過上述方程式可以計算求得外界的形變變化量，再通過與之前未變形的標定腔長進行比較即可得出相對形變。

2 溫度-應變復合傳感器

2.1 復合傳感器工作原理

根據以上分析，布拉格光纖光柵傳感器和FP光纖傳感器都存在著溫度和形變耦合問題，在此結合兩者生成一種復合傳感器，如圖3所示。該傳感器將FBG傳感器置于FP腔中自由伸縮端，使其可自由伸縮膨脹，僅受溫度影響產生反射波長偏移。其次將FBG的一端設置為高反射層，與腔體另一端光纖形成FP 光柵光纖傳感器，該FP 傳感器依靠高溫膠將兩端固定在試驗件上，可隨試驗件形變產生應變，同時通過FBG測量所得的溫度再對光纖自身膨脹量進行修正，達到準確測量應變的目的。通過復合傳感器實現了溫度和應變的解耦測量，可針對同一測點實現溫度與應變的同時測量。

圖3 帶有FP腔的光纖FBG傳感器Fig.3 Fiber optic FBG sensor with FP cavity

2.2 復合傳感器制作安裝工藝

本課題中制作布拉格光纖光柵傳感器的方法為相位掩模法即利用光的衍射原理，將同一束光分為兩個部分且兩部分的能量、功率完全相同。兩束光經過干涉，產生相同強度的明暗條紋，矯正折射率的變化。在石英襯底上同時結合全息曝光、電子束刻蝕，做出相應的相位光柵，原理圖如圖4所示。

圖4 相位掩模法Fig.4 Phase mask method

非本征FP傳感器的制作方法為：由兩段切割平整的單模光纖，同軸的封裝在一段特種管道內而成，一般是封裝在石英毛細管中。在兩段裸光纖端面間的距離精確調整后，采用膠黏或者CO2激光焊接的方式，將裸光纖和石英毛細管進行固定。圖5為傳感器各個部分的顯微電鏡圖。

最后將金屬試件的表面打磨后用酒擦拭干凈，將準備好的高溫FP-FBG傳感器粘貼于金屬試件中心位置。粘貼方式如圖6所示。

由于試驗時采用的高溫膠固化后，用于預先固定光纖的高溫膠帶不便于取下，試驗時將其保留在試件表面。

3 工程驗證試驗及可行性分析

3.1 試驗過程及數據

在輻射加熱環境下，對傳感器的考核分為對單一試驗件上同一傳感器進行重復性試驗測量，即在傳感器反復使用未損壞的前提下，針對同一試驗件進行重復試驗；和試驗件材料相同的不同試驗件不同傳感器進行測試比較。

圖5 傳感器各個部分的顯微電鏡圖Fig.5 Microelectron microscopy of the various parts of the sensor

圖6 FP-FBG 傳感器粘貼方式示意圖Fig.6 FP-FBG sensor paste pattern diagram

試驗中溫度測量的比對如下，首先對不同試驗件上的熱電偶和FP-FBG所測得的溫度進行對比，如圖7和圖8所示。其中圖7 為第一件FBG 與熱電偶溫度對比數據，圖8為第二件FBG與熱電偶溫度對比數據。

圖7 第一件FBG與熱電偶溫度對比數據Fig.7 The first FBG and thermocouple temperature comparison data

圖8 第二件FBG與熱電偶溫度對比數據Fig.8 The second FBG and thermocouple temperature comparison data

圖9 兩件溫度-應變比數據Fig.9 Two temperature-strain ratio data

試驗中，應變隨溫度變化的規律如圖9所示，其中SU1為第一件FP 傳感器應變測量結果與第一件FBG 傳感器溫度測量結果的對應關系；SU2為第二件FP傳感器應變測量結果與第一件FBG傳感器溫度測量結果的對應關系。

再在試驗件P3 上進行兩次重復試驗，以對比FP-FBG傳感器的重復性能，其測量結果如圖10所示。兩次重復試驗中溫度-應變的變化如圖11所示。

3.2 數據結果分析

3.2.1 溫度測量對比

以靠近FP-FBG 傳感器的熱電偶作為測溫的標準，檢驗傳感器的測量準確性。在此，分別對同一次試驗中的三個試驗件進行分析，即在穩態環境中，比對熱電偶與光纖光柵傳感器的測量結果；另外在同一試驗件上進行重復性試驗，即分析兩次相同條件試驗結果。

圖10 兩次溫度測量重復性曲線Fig.10 Double temperature measurement repeatability curve

圖11 兩次重復性試驗的溫度-應變比數據Fig.11 Temperature-strain ratio data for two repetitive tests

表1為不同試驗件的測量分析，這里由于僅有右上方的小板熱電偶點受到溫度控制，其他小板上的溫度只是客觀測量結果，同時考慮到加熱區域存在不均勻性，因此光纖光柵傳感器僅于自身小板上的熱電偶進行對比，而不進行不同小板之間的交叉對比。P1、P2的試驗件規律為在200℃的測量精準度最高，400℃以上的測量精準度基本處于5%左右。以上測量誤差可能與光纖光柵傳感器的靈敏度標定有關。

表1 不同試驗件測溫比較Table 1 Comparison of temperature measurement of different test pieces

第一次試驗后，P1 試驗件與P2 試驗件的傳感器折斷，由此失效，所以重復性試驗僅針對P3 試驗件進行分析。表2 為兩次重復性試驗結果。在此選擇P3試驗件上焊接的熱電偶為控制熱電偶，撤出P1、P2試驗件，在此P3試驗件的加熱均勻性基本得以保證，FBG傳感器測量為客觀測量溫度。由表2可知傳感器在未損壞的前提下溫度測量的重復性非常好，除去100℃時測溫誤差較大，其他測溫誤差基本在5%的范圍內，以上測量誤差可能由傳感器的溫度標定而引起。

表2 相同試驗件重復性測溫比較Table 2 Comparison of repeated temperature measurements of the same test piece

3.2.2 應變比對

本次試驗的應變測量數據見表3。根據表3 提供數據繪制溫度-應變曲線，如圖12 所示。由圖12 可見傳感器測量的應變隨溫度的變化一致性良好。

表3 溫度-應變對應數據Table 3 Temperature-strain correspondence data

4 結論

通過以上試驗實現了熱強度試驗中同一點溫度應變的同時測量，建立被測點溫度、應變的對應關系，較傳統應變計測試應變、熱電偶測試溫度的方法，降低熱電偶和應變計不處于相同測試點，所帶來的誤差。

其次在光柵光纖傳感器的安裝方面，粘貼劑既需要起到將傳感器固定在基地表面的作用，無須考慮粘貼劑本身特質，如傳遞應變的準確性、溫度造成蠕變、絕緣性能隨溫度的改變等。粘貼面積較小，無須大面積的底膠鋪設，安裝方法簡單，安裝周期短。

使用石英作為制作光纖材質，采取鍍金工藝制作光纖反射層，并通過合適的高溫退火工藝，可使傳感器的使用溫度提升到800～1000℃。這使高溫應變的測量有了除電阻應變計外的新的接觸式測量方法，且該測量方法較電阻應變計測量應變有安裝簡單，安裝范圍小，無須粘貼劑傳遞應變等優點。

原理樣機驗證結果表明傳感器測試重復性良好，溫度測量準確性較高，800℃環境下傳感器測量一致性良好。但傳感器在制作過程中由于多次淬火，鍍金光纖部分較為薄弱，光纖在高溫下工作時容易出現斷裂現象，后續工作將著重研究并提高該測試技術的工程應用穩定性和重復性。