具有溫度自補償的保偏光纖布拉格光柵多參量傳感器的設計與制備*

李建宇 董忠級 張吉宏 史雯慧 鄭加金3)? 韋瑋3)?

1) (南京郵電大學電子與光學工程學院、柔性電子(未來技術)學院,南京 210023)

2) (中國有色金屬工業西安勘察設計研究院,西安 710051)

3) (江蘇省特種光纖材料與器件制備及應用工程研究中心,南京 210023)

多參量的動態檢測對于隧道、橋梁和管道等結構疲勞損傷的預測具有重要意義,開發一種高靈敏度、環境友好、低成本和易于操作的多參量動態檢測技術一直是業界追求的目標.為了克服目前基于光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)的多參量傳感器結構和原理復雜、制作成本高等問題,本文基于保偏光纖布拉格光柵(PM-FBG)設計并制作了一種結構簡單且高靈敏度,單點可同時測量多個參量的新型傳感器.該傳感器通過傳感臂可以同時測量某一點在兩個垂直方向上的位移和扭轉變化,并具有溫度自補償功能.實驗結果表明: 該傳感器的快軸和慢軸對于溫度的響應不同,其線性靈敏度分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,溫度補償系數為0.8 pm/℃,平均扭轉靈敏度為0.20 dB/(°);該傳感器的快軸和慢軸對位移/彎曲的響應相同,線性靈敏度為31.5 pm/mm.當改變傳感器周圍的溫度場,其位移和扭轉傳感性能不受影響,可實現3 個參量的同時測量.本文研制的PM-FBG 新型多參量傳感器可以保證高精度的溫度、位移和扭轉測量,同時具有較低的制作成本,有望為多參量動態檢測提供一種新的手段.

1 引言

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、靈敏度高和耐久性好等優點,已經廣泛用于巖土工程、航空航天、醫療研究等領域[1-4].由于FBG 對應變和溫度同時敏感,并且常用的FBG 傳感器只能測量一種物理參量[5],所以在實際應用中往往需要設置多個FBG 傳感器分別測量溫度、應變和位移等物理參量,既增加了成本預算,又可能達不到理想效果.因此,多個物理參量同時測量在理論研究和工程應用中具有重要意義[6-8],設計一種具有溫度自補償功能的多參量傳感器可以簡化監測流程,大大降低檢測成本.

保偏光纖布拉格光柵(polarization-maintaining fiber Bragg grating,PM-FBG)是利用紫外曝光在高雙折射保偏光纖中寫入FBG,從而形成纖芯的折射率周期性分布的一種新型傳感結構.由于PMFBG 支持兩種不同的偏振本征模式和有效折射率,因此,PM-FBG 以兩種布拉格波長(對應于PM-FBG的快軸和慢軸)耦合沿兩個主軸偏振的光,使得PM-FBG 的兩個波峰對環境變化產生不同的響應.基于以上原理,PM-FBG 可以克服FBG 傳感器的交叉靈敏度問題,實現溫度、縱向應變、橫向應變或扭轉的同時測量[9-12].

近年來,許多專家學者基于FBG 設計了各種類型的多參量傳感器和多參量傳感系統.2019 年,Huang 等[13]利用FBG 傳感器陣列實現了應變、溫度和壓力的同時測量,并將其應用于管道系統的實時狀態監測;同年,Leal-Junior 等[14]基于8 個FBG傳感器實現了扭矩和位移的雙參量測量;2020 年,Xu 等[15]基于一個FBG 傳感器設計了一種可以同時測量傾斜和加速度的傳感器;2022 年,Lu 等[16]基于PM-FBG 設計了一種多參量傳感器,該傳感器可以同時測量溫度、應變和周圍有效折射率.然而,目前基于FBG 的多參量傳感器普遍存在傳感器的結構和原理復雜,未對FBG 進行有效封裝,傳感器力學性能差以及制作成本高等問題.

鑒于此,本文利用3D 打印技術,設計并制作了一種可以同時測量位移、扭轉和溫度的新型PMFBG 多參量傳感器.該傳感器的結構主要由傳感腔、傳感臂和位移控制腔組成.由于PM-FBG 的兩種布拉格波長對扭轉和彎曲的響應不同,所設計的PM-FBG 傳感器可以分別將傳感臂的位移和旋轉轉變為嵌入傳感腔內的PM-FBG 的彎曲和扭轉,從而可以檢測特定位置上兩個垂直方向上的位移和扭轉的變化.同時,該傳感器可以在測量其他參量的同時檢測溫度的變化,消除外界溫度場變化對傳感器輸出結果的影響,從而實現溫度的自補償.此外,PM-FBG 柵區的兩端分別與支撐臂和傳感臂直接連接,其變化趨勢與傳感臂相同,使得PMFBG 傳感器的靈敏度和準確度較高.本文所提出的PM-FBG 具有結構簡單、靈敏度高、力學性能好和制作成本低等優勢,有望為多參量動態檢測提供一種新的方法.

2 PM-FBG 傳感原理及實驗

2.1 PM-FBG 傳感原理

由于實際的單模光纖纖芯的圓對稱性無法達到理想標準,導致光波的兩種偏振模式在纖芯內傳播的速度不同,從而產生偏振模色散.保偏光纖(polarization-maintaining fiber,PMF)在光纖纖芯周圍摻入硼硅酸鹽,所產生的應力誘導可以消除偏振模色散.如圖1 所示,由于PMF 在兩個偏振方向上的有效折射率不同,光波在PMF 中傳輸的速度不同形成了快軸與慢軸,在PMF 上寫入FBG相當于在快軸和慢軸的相同位置上分別寫入了FBG,因此,PM-FBG 具有兩個波峰[17-19].PM-FBG 中心波長的計算公式為

圖1 (a) PMF 截面示意圖;(b) PM-FBG 結構示意圖Fig.1.(a) Schematic cross-section of PMF;(b) schematic structure of PM-FBG.

式中,λF為PM-FBG 快軸的中心波長,λS為PMFBG 慢軸的中心波長,Λ為光柵的周期,nF為PMFBG 快軸的有效折射率,nS為PM-FBG 慢軸的有效折射率.

根據PM-FBG 兩個波峰對溫度和應變的響應規律[20],其快軸和慢軸的波長漂移量ΔλFB和ΔλSB與溫度和位移的關系可以表示為

式中,ΔT和ΔD分別為外界溫度變化量和位移量,KFT和KST分別為PM-FBG 快軸和慢軸的溫度靈敏度系數,KD為PM-FBG 的位移靈敏度系數.

當線性偏振光輸入PM-FBG 時,PMF 的慢軸和快軸分別產生兩種不同的偏振模式,這兩種模式的E(電磁)場場強對扭轉的響應不同,具體表現為PM-FBG 的快軸和慢軸對扭轉的響應不同[6].PM-FBG 沿順時針扭轉角度ΔA與快軸和慢軸的峰值強度之間的關系可以表示為

式中,RF和RS分別為PM-FBG 快軸和慢軸的峰值強度,RF0和RS0分別為快軸和慢軸的初始峰值強度,KA為PM-FBG 的平均扭轉靈敏度,ΔA代表PM-FBG 的扭轉角度.當PM-FBG 沿逆時針扭轉時,式中符號取反.

2.2 PM-FBG 傳感器制備及實驗

使用248 nm 的KrF 準分子激光器和相位掩模法在載氫后的保偏光纖(熊貓型保偏光纖,模場直徑為6.7—7.1 μm@980 nm,包層直徑為125 μm±1 μm)寫入PM-FBG(柵區長度為6 mm);然后通過熔融沉積3D 打印技術(fused deposition modeling,FDM)將FBG 嵌入圖2 所示的結構中.其中,所制作的PM-FBG 傳感器外殼的材料為聚乳酸,熔化溫度、拉伸模量和拉伸強度分別為173—178 ℃,2.7—16 GPa 和50 MPa,3D 打印機的層分辨率、細絲直徑和噴嘴直徑分別為0.1,1.75 mm 和0.44 mm,傳感腔體積為 150 mm×50 mm×50 mm.

圖2 本文設計的PM-FBG 傳感器實物圖Fig.2.The physical image of the PM-FBG sensor designed in this paper.

如圖2 所示,設計的PM-FBG 傳感器主要包括傳感腔、控制腔、支撐臂和傳感臂.其中,PMFBG 位于傳感腔中,并分別與傳感臂和支撐臂連接,PM-FBG 與傳感臂具有相同的運動趨勢.控制腔中的彈簧控制傳感臂的位移范圍,可以防止PM-FBG 因傳感臂位移量過大而損壞.傳感臂分別將環境位移和扭轉轉變為PM-FBG 的彎曲和扭轉,從而實現位移和扭轉的同時測量.

本文采用的PM-FBG 和銅合金彈簧的熱膨脹系數常溫下分別為8×10—6—13×10—6℃—1和7×10—6—9×10—6℃—1,理論上,材料的熱膨脹系數越小,其熱性能越穩定.若彈簧發生熱脹冷縮,其變形將小于PM-FBG,彈簧表面微小的形變對PMFBG 產生的軸向應力非常小,可以忽略.此外,在整個傳感器模塊中,PM-FBG 一端固定于支撐臂,另一端與彈簧連接,中間懸空.由于PM-FBG 沒有直接與PLA 基底接觸,其熱脹冷縮對于PM-FBG影響較小.

圖3 所示為PM-FBG 傳感器性能測試系統,該系統主要包括PM-FBG 傳感器、寬帶光源(ASE,Hoyatek)、偏振控制器、環形器、光譜分析儀(OSA,AQ6375B,Yokogawa)和計算機數據處理模塊.其中,ASE 寬帶光源發出的偏振光依次通過單模光纖(SMF-G.652)、偏振控制器和環形器后傳輸至PM-FBG 傳感器,光譜分析儀接收來自PM-FBG傳感器的反射光并輸出反射光譜.通過調節偏振控制器可以調整光的輸出偏振狀態,PM-FBG 傳感器的扭轉和位移變化由傳感臂控制.

圖3 PM-FBG 傳感器測試系統示意圖Fig.3.Schematic diagram of PM-FBG sensor testing system.

本文通過以下流程完成傳感器的初始對準: 首先將刻寫有PM-FBG 的PMF 與SMF 熔接;然后使光纖保持平直狀態,旋轉偏振控制器設置PMFBG 快軸的反射峰趨近于0 時的扭轉角度為0°;最后,將光纖固定于傳感器模塊內,此時,傳感臂的旋轉角度默認為0°.

3 實驗結果與分析

分別將PM-FBG 裸柵和傳感器模塊置于恒溫水浴鍋中,溫度范圍為20—80 ℃.結果顯示,兩者的測試結果基本相同,且在升溫至80 ℃時,彈簧和傳感器模塊均未發生明顯形變.因此,本文不考慮傳感器模塊本身熱脹冷縮引起的應變對測量結果的影響.

對PM-FBG 傳感器進行升溫測試,期間傳感器模塊的傳感臂保持初始狀態(旋轉角度為0°,位移量為0 mm),圖4 所示為PM-FBG 傳感器溫度傳感性能測試結果.從圖4(a)可以看出,升溫過程中,傳感器的快軸和慢軸所對應的波峰的相對強度保持不變,而中心波長發生紅移;對圖4(a)中的PM-FBG 的中心波長與溫度的關系進行線性擬合,波長與溫度具有良好的線性關系.此外,由于PMFBG 的快軸和慢軸的熱膨脹系數不同,兩者的線性靈敏度不同,PM-FBG 傳感器的快軸和慢軸所對應的波峰的靈敏度系數分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃;圖4(b)是根據PM-FBG 的快軸和慢軸的波長差(Δλ=λS—λF)與溫度擬合得到的關系曲線,擬合系數R2=0.99995,傳感器的溫度補償系數為0.8 pm/℃.

圖4 (a) PM-FBG 傳感器不同溫度下光譜圖;(b) PM-FBG 的快軸和慢軸波長差與溫度的關系Fig.4.(a) Spectra of PM-FBG sensor at different temperatures;(b) temperature versus wavelength difference corresponding to the fast axis and slow axis.

圖5(a)是PM-FBG 傳感器的傳感臂從0°旋轉至90°的反射譜,從圖5(a)可以看出,從0°旋轉至90°的過程中,PM-FBG 的快軸的峰值強度增大,慢軸的峰值強度減小,該現象是由PMF 內部正交偏振模式的變化引起的.進一步,調節PMFBG 傳感器的傳感臂,使其從—90°(逆時針)逐漸旋轉至90°(順時針),旋轉步長為15°.如圖5(b)所示,PM-FBG 傳感器反射峰的強度隨扭轉角的變化遵循正弦變化規律,并且對順時針扭轉和逆時針扭轉的響應不同,其中,正弦擬合曲線的方差R2=1,平均扭轉靈敏度為0.20DB/(°).與文獻[21]中報道的0.09DB/(°)相比,PM-FBG 傳感器的扭轉靈敏度有所提高.

圖5 (a) PM-FBG 傳感器不同扭轉角度光譜圖;(b)對應于圖(a)的峰值強度變化曲線Fig.5.(a) Spectral response of PM-FBG sensor versus rotation over —90° to 90°;(b) individual peak intensities extracted from the spectra of (a).

對PM-FBG 傳感臂的位移與PM-FBG 的彎曲之間的關系進行標定,如圖6(a)所示,將PMFBG 固定于位移控制平臺的彈性鋼尺表面,固定一端,在另一端施加5 g 的重量,通過控制位移平臺使PM-FBG 產生彎曲.曲率1/R可以通過以下公式計算:

圖6 PM-FBG 傳感器位移傳感性能測試 (a)彎曲測量實驗裝置;(b)曲率為0—11 m—1 的光譜響應;(c) 曲率-波長;(d) 位移-波長(快軸,慢軸)Fig.6.Displacement sensing performance test of PM-FBG sensor: (a)Experimental setup for bending measurement;(b) spectral response of curvature over 0 to 11 m—1;(c) curvature versus wavelength;(d) displacement versus wavelength of the fast axis and slow axis.

式中,h是彈性鋼尺中點的高度,d是鋼尺兩端之間的距離,位移變化范圍為0—20 mm,曲率變化范圍為0—11 m—1.

圖6(b)是上述實驗的光譜響應結果,從圖6(b)可見,PM-FBG 的快軸和慢軸的波長與曲率具有良好的線性關系.如圖6(c)所示,對波長與曲率之間的關系進行線性擬合,結果顯示,其線性斜率均為82 pm/mm—1,線性系數R2分別為0.998 和0.999,該現象與PM-FBG 對溫度的響應規律不同.為了進一步驗證PM-FBG 傳感器的傳感臂位移與波長之間的關系,對傳感臂位移與PM-FBG 峰值波長的關系進行線性擬合,如圖6(d)所示,PM-FBG 傳感器的快軸和慢軸的位移靈敏度分別為31 pm/mm和32 pm/mm,由于兩者基本相同,所以此處取兩者的平均值,即PM-FBG 傳感器的位移靈敏度為31.5 pm/mm.

為了驗證PM-FBG 傳感器可以實現多參量的交叉測量,分別在0,40 和80 ℃的環境下測試PMFBG 傳感器的位移和扭轉傳感性能.如圖7(a)所示,當環境的溫度場和位移同時發生變化時,傳感器的波長漂移量Δλ是溫度場引起的波長變化ΔλT和位移引起的波長變化ΔλD的線性疊加,具體可用公式表示為

圖7 PM-FBG 傳感器多參數同時測量 (a) 溫度對位移的影響;(b) 溫度對扭轉的影響Fig.7.Cross measurement of different parameters by PM-FBG sensor: (a) Influence of temperature on displacement;(b) influence of temperature on torsion.

從上述實驗可知,溫度的升高會導致PM-FBG 傳感器的快軸和慢軸的波長紅移,并且兩者的靈敏度系數不同,但位移的增大只會導致兩者的線性紅移.因此,基于以上原理,該傳感器可以實現溫度和位移的同時測量.

接下來,研究了當PM-FBG 傳感器傳感臂的扭轉角分別為45°和90°時,溫度場變化對傳感器反射光譜的影響.如圖7(b)所示,實驗結果表明,溫度場的變化不會造成傳感器的光譜形狀發生變化,即溫度不會影響傳感器的扭轉測量(圖7(b)中PMF 的截面為PM-FBG 扭轉角度的示意圖).因此,PM-FBG 傳感器可以實現溫度與扭轉的同時測量.

最后,改變PM-FBG 傳感器周圍的溫度場,同時對傳感臂施加位移和旋轉.圖8 是三參量同時變化時PM-FBG 傳感器的光譜圖.從圖8 可以看到,傳感臂的位移量增加導致快軸和慢軸的波峰發生紅移,同時,由于傳感器周圍溫度場的改變,快軸和慢軸的波長漂移量不同.此外,由于傳感臂的旋轉,在波長漂移的過程中,快軸和慢軸的峰值強度發生變化.綜合以上分析,PM-FBG 傳感器可以實現溫度、位移和扭轉的同時測量.

圖8 PM-FBG 傳感器多參量同時測量光譜圖Fig.8.PM-FBG sensor simultaneously measures multiparameters spectral graph.

基于(3)式—(6)式和本文的實驗結果,計算得到了PM-FBG 傳感器溫度、位移和扭轉同時測量的解調方程組為

式中,ΔT為外界溫度變化量,ΔD為PM-FBG 傳感器傳感臂的位移量,ΔA為傳感臂的旋轉角度,ΔλFB和ΔλSB分別為快軸和慢軸的波長漂移量,R0和R分別為PM-FBG 傳感器峰值強度的初始值和測量值.根據(9)式—(11)式的解調方程組,PMFBG 傳感器可以將外界的溫度、位移和扭轉的變化轉換為波長和波峰的變化,從而實現3 個參量的同時檢測.

4 結論

綜上所述,本文研制了一種具有溫度自補償功能的新型多參量PM-FBG 傳感器,其位移靈敏度為31.5 pm/mm,位移可調節范圍為0—20 mm;扭轉靈敏度為0.20DB/(°),扭轉可調節范圍為180°(—90°—+90°);PM-FBG 的快軸和慢軸的溫度靈敏度系數分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,溫度補償系數為0.8 pm/℃,以上3 種靈敏度均優于商用的FBG 傳感器.使用一個PM-FBG 和熔融沉積3D 打印技術實現傳感器的制作,有效降低了制作成本.進一步驗證了PM-FBG 傳感器在測量扭轉和位移的同時可以檢測溫度的變化,并給出了三參量同時傳感的解調方程組.本研究有望對多參量的同時測量提供可靠的依據,所設計的PMFBG 傳感器具有一定的商業價值.