牛文謙，馬耀遠(yuǎn)，吳 宇，袁子琳，龔 元，饒云江

(電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點實驗室，成都611731)

光纖光柵傳感器以其無源、體積小、抗電磁干擾、耐腐性強、復(fù)用能力強等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、土木結(jié)構(gòu)、消防安防以及能源化工等領(lǐng)域［1－3］。

光纖布拉格光柵(FBG)作為應(yīng)變傳感器在實際工程應(yīng)用中會同時受到溫度與應(yīng)變的影響［4］，不同的封裝材料和封裝方式對光纖光柵的具體測量性能都有較大影響［5－6］。國內(nèi)目前已有一些光纖光柵應(yīng)變傳感器，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)［7］、大連理工大學(xué)［8］、北京工業(yè)大學(xué)［9］、昆明理工大學(xué)［10］都制作了各種結(jié)構(gòu)封裝的光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器，這些傳感器都是針對常溫下的應(yīng)變測量，然而在航空航天、石油開采等領(lǐng)域，通常需要在高溫條件下的接觸式應(yīng)變測量，傳統(tǒng)的光纖光柵應(yīng)變傳感器難以滿足高溫條件下長期存活和精確測量［11－13］的要求，尤其是傳統(tǒng)膠水封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器在高溫條件下的穩(wěn)定性問題一直無法解決。應(yīng)變傳感器中，通常采用雙光柵串連進(jìn)行溫度補償，使用一定的方法隔離光柵與基片［14－16］，本文采用雙光柵串聯(lián)方式提出一種全新的更有效簡單的結(jié)構(gòu)，針對應(yīng)用于高溫條件下FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變和溫度串?dāng)_，以及高溫條件下的長期穩(wěn)定性和測量重復(fù)性等問題開展了實驗研究。

本文以耐高溫聚酰亞胺涂層FBG為基本敏感元件，采用無膠化特殊封裝方式，通過基底結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了高溫環(huán)境下應(yīng)變精確測量時的溫度變化補償。通過高溫環(huán)境下應(yīng)變實驗驗證了基于該結(jié)構(gòu)的FBG高溫應(yīng)變傳感器的測量精度、線性度、重復(fù)性等主要性能指標(biāo)，本文的研究對于光纖光柵傳感器在高溫應(yīng)變測量領(lǐng)域的實際應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 結(jié)構(gòu)及理論仿真分析

FBG傳感器的基本原理是當(dāng)寬帶光入射到光柵上時，滿足Bragg反射波長的光會被光柵反射而反向傳輸，由于作用于FBG的溫度、應(yīng)變等外界物理量可以改變光柵的周期長度，從而改變Bragg反射波長，因此通過檢測Bragg波長的漂移量即可得到外界物理量的變化大小。

Bragg波長與溫度、應(yīng)變的變化關(guān)系可表示為［3］:

式中 ΔλB表示應(yīng)變引起的 λB的漂移大小，pε為FBG的有效折射率，ε為軸向應(yīng)變，α為光纖Bragg光柵的熱膨脹系數(shù)，ξ為光纖Bragg光柵的熱光系數(shù)，ΔT為溫度變化量。

本文所述FBG高溫應(yīng)變傳感器的應(yīng)變金屬基片為高彈性不銹鋼材料，結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)BG1為應(yīng)變測量光柵，F(xiàn)BG2為溫度補償校正光柵。無膠化特殊方式封裝時需要利用特殊的加熱工具嚴(yán)格控制加熱區(qū)域和時間，否則會損壞涂覆層甚至光柵;結(jié)構(gòu)圖區(qū)域1的寬度大小的設(shè)計是為能夠了獲取足夠的加熱溫度以及控制加熱范圍;結(jié)構(gòu)圖中區(qū)域3的半回型結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面是為了提高應(yīng)變靈敏度［17］，同時降低由于光柵預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力松弛效應(yīng)，使傳感器具有長期穩(wěn)定性和抗彎曲性;結(jié)構(gòu)圖區(qū)域2的T型結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面極好的屏蔽了應(yīng)力作用于補償光柵上，同時緊湊的整體結(jié)構(gòu)尤其能在動態(tài)變化的應(yīng)用場合下實現(xiàn)快速的溫度響應(yīng)。利用ANSYS有限元分析軟件仿真，在應(yīng)變基片兩端依次施加5 N、10 N、50 N、100 N的拉力，分別如圖2(a)～2(d)所示，結(jié)果顯示溫度補償光柵所在的基片區(qū)域幾乎沒有應(yīng)變變化，具有極好的溫度校正效果。該結(jié)構(gòu)的溫度補償原理如下:

圖1 應(yīng)變傳感示意圖

圖2 ANSYS仿真?zhèn)鞲衅骰鼽c應(yīng)變示意圖

FBG1的波長漂移由拉伸應(yīng)變增量Δλε和溫度產(chǎn)生波長漂移增量ΔλT共同產(chǎn)生Δλ=Δλε+ΔλT。對于FBG1初始波長為λFBG1，靈敏度μ1，溫度產(chǎn)生波長增ΔλT1=μ1ΔT，對于 FBG2 初始波長為 λFBG2，靈敏度 μ2，溫度產(chǎn)生波長增 ΔλT2=μ2ΔT，ΔλT1=(μ1/μ2)ΔλT2，也即Δλ=Δλε+(μ1/μ2)ΔλT2。記基準(zhǔn)溫度T0，對于FBG2有波長增量 Δλ02=KTΔT0，其波長 λ02=λFBG2+Δλ02，對于FBG1 則有:Δλ01=KεΔε+KTΔT0，其波長 λ01=λFBG1+Δλ01。以T0為基準(zhǔn)進(jìn)行溫度補償，即溫度為Tx時，Tx由擬合方程得到，λx為記錄的波長，λ'x為補償后的波長，則有:λ'x=λx+(Tx－T0)(μ1/μ2)。

2 實驗分析

2.1 溫度系數(shù)標(biāo)定實驗

實驗中使用上述結(jié)構(gòu)無膠化封裝的FBG高溫應(yīng)變傳感器(其中:FBG1為應(yīng)變溫度同時作用的光柵，F(xiàn)BG2為溫度補償光柵)和一只UV膠封裝的FBG應(yīng)變傳感器(FBG3)進(jìn)行高溫溫度傳感性能對比，有膠和無膠化封裝的應(yīng)變傳感器均采用相同的應(yīng)變傳遞基片。將兩只傳感器同時放置在高低溫循環(huán)箱中進(jìn)行溫度循環(huán)實驗，實驗結(jié)果如圖3(a)所示。由圖3(a)看出在80℃內(nèi)應(yīng)變傳感器Bragg光柵的中心波長與溫度呈線性關(guān)系，溫度在80℃以上時高溫應(yīng)變傳感器中FBG1和FBG2的中心波長與溫度呈線性關(guān)系，而FBG3線性度已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。其中應(yīng)變測量光柵FBG1的溫度靈敏度為25.4 pm/℃，溫度補償光柵FBG2的溫度靈敏度為23.2 pm/℃，線性擬合度分別為R2=0.999 2和R2=0.999 6。

圖3 采用無膠化封裝和UV膠封裝的應(yīng)變傳感器FBG在－20℃ ～250℃內(nèi)的溫度特性曲線

由于實驗用高溫爐在150℃以上時，其升溫過程溫度變化是非線性的，因此，我們采用在降溫過程中進(jìn)行隨機溫度記錄，實驗結(jié)果如圖3(b)所示。由圖3(b)可以看出FBG1和FBG2在250℃環(huán)境內(nèi)中心波長與溫度呈線性關(guān)系，溫度靈敏度分別為28.8 pm/℃和 27.1 pm/℃，擬合度均為 R2=0.999 8?？梢钥吹紽BG1和FBG2在圖3(b)中的溫度靈敏度要略高于圖3(a)中的溫度靈敏度，這是因為高彈性不銹鋼在越高的溫度下熱膨脹系數(shù)越高，使得其溫度靈敏度增加。通過多次重復(fù)實驗，該高溫應(yīng)變傳感器具有良好的重復(fù)性。根據(jù)上述實驗結(jié)果可以獲知:在250℃內(nèi)該高溫應(yīng)變傳感器光纖Bragg光柵中心波長的漂移量與溫度之間呈線性關(guān)系，可用于高溫應(yīng)變測量時的溫度校正。

2.2 靜態(tài)應(yīng)變測量實驗

實驗分為室溫環(huán)境實驗和高溫環(huán)境實驗。在靜態(tài)應(yīng)變測試實驗中，用夾具將光纖Bragg光柵高溫應(yīng)變傳感器一端固定豎直放置，傳感器另一端通過夾具連接一個砝碼托盤，增減砝碼來增減載荷，每次增加和減少的砝碼重量為2 N，高溫應(yīng)變實驗環(huán)境通過并行鎢燈管照射獲取。

圖4為室溫環(huán)境下光纖Bragg光柵中心波長與載荷之間的關(guān)系曲線圖。其中FBG1+表示增加載荷，F(xiàn)BG－表示減少載荷。由圖4可以看出，光纖Bragg光柵高溫應(yīng)變傳感器在室溫(26℃)條件下中心波長的漂移量與載荷之間呈線性關(guān)系，增減載荷曲線幾乎重合，F(xiàn)BG2未受載荷的影響。增加載荷和減少載荷靈敏度分別為379.7 pm/N和381.1 pm/N，線性擬合度分別為R2=0.999 2和R2=0.999 6。減少載荷過程的靈敏度比增加載荷過程略大，這是由于基片拉伸變形后恢復(fù)過程對靈敏度造成微小影響。

圖4 室溫環(huán)境下波長－載荷關(guān)系示意圖

高溫下的應(yīng)變測量實驗，通過并行鎢燈管照射可使環(huán)境溫度由室溫(26℃)上升至250℃左右，由于空氣流動的影響會造成溫度浮動變化。圖5(a)是在高溫下光纖Bragg光柵中心波長的漂移量在增加載荷時的變化曲線，通過溫度補償校正，光纖Bragg光柵高溫應(yīng)變傳感器增加載荷過程靈敏度為369.4 pm/N，擬合度R2=0.999 8，與常溫下的靈敏度相差2.8%。圖5(b)為在高溫下光纖Bragg光柵中心波長的漂移量在減少載荷時的變化曲線。通過溫度補償校正，光纖Bragg光柵高溫應(yīng)變傳感器減少載荷過程靈敏度為372.6 pm/N，擬合度 R2=0.999 2，與常溫下的靈敏度相差2.3%。通過多次重復(fù)實驗其靈敏度與常溫下的相差均不超過3%。

圖5 高溫環(huán)境下傳感器中心波長隨載荷變化的特性曲線圖

結(jié)合溫度靈敏度標(biāo)定實驗結(jié)果可以獲知高溫實驗環(huán)境在250℃左右，同時根據(jù)實驗結(jié)果可以看出FBG2實驗結(jié)果和ANSYS仿真結(jié)果一致，不受應(yīng)變影響。該高溫應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度和常溫下的靈敏度有一些差別，溫度升高和計數(shù)誤差導(dǎo)致了靈敏度上的差異。該高溫應(yīng)變傳感器降低載荷過程線性度良好，高溫下高彈性不銹鋼應(yīng)變底座的形變恢復(fù)會對靈敏度產(chǎn)生影響。通過多次重復(fù)實驗，高溫應(yīng)變傳感器恢復(fù)到常溫狀態(tài)時中心波長偏移量與室溫對應(yīng)的波長值誤差不超過±5 pm。實驗結(jié)果表明，基于該結(jié)構(gòu)和該封裝方式下的光纖Bragg光柵高溫應(yīng)變傳感器能夠在高溫下很好的響應(yīng)物體的拉伸應(yīng)變，進(jìn)行溫度自校正。

2.3 動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)實驗

通過動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)實驗證明所述FBG高溫應(yīng)變傳感器具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。實驗中使用的應(yīng)變傳遞底板尺寸為1 mm×30 mm×200 mm，在拉力試驗機上，應(yīng)變底板所受載荷F與應(yīng)變ε的關(guān)系可以表示為:ε=ΔL/L=(F/A)/E。其中，A為測試底板的橫截面積，E為材料的楊氏模量。

實驗中，我們采用C型夾具將應(yīng)變傳感器固定在測試底板上，測試底板兩端固定在拉力機上。當(dāng)拉力機對測試底板施加載荷時，測試底板產(chǎn)生的應(yīng)變將傳遞到FBG高溫應(yīng)變傳感器上，PC機自動記錄拉力機的載荷輸出曲線，解調(diào)儀(頻率為250 Hz)自動記錄FBG高溫應(yīng)變傳感器的中心波長變化。實驗發(fā)現(xiàn)，在拉力機施加載荷變化時，由圖6(a)所示，溫度補償光柵FBG2不受應(yīng)變傳遞的影響具有很好的溫度自校正能力;由圖6(b)所示，F(xiàn)BG高溫應(yīng)變傳感器獲得較好的波長響應(yīng)曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變的動態(tài)測量。

圖6 FBG高溫應(yīng)變傳感器的應(yīng)變響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

本文提出了一種具有良好溫度補償結(jié)構(gòu)的光纖Bragg光柵高溫應(yīng)變傳感器，采用低溫焊料無膠化封裝工藝，可用于高溫環(huán)境下高精度應(yīng)變測量。由于安裝方式的不同會影響應(yīng)變傳遞的效果，故該傳感器的實際應(yīng)變靈敏度需要根據(jù)安裝方式來確定。而本文所述傳感器在常溫拉伸應(yīng)變靈敏度約為379.7 pm/N，線性度 R2=0.999 2;高溫環(huán)境下溫度補償校正后的拉伸應(yīng)變靈敏度約為369.4 pm/N，線性度R2=0.999 2。多次重復(fù)實驗結(jié)果顯示高溫與常溫下的靈敏度相相差均不超過3%。本文研究結(jié)果表明基于該結(jié)構(gòu)和封裝工藝的FBG高溫應(yīng)變傳感器可應(yīng)用于250℃環(huán)境下大型機械等接觸式高精度應(yīng)變測量，另外該結(jié)構(gòu)簡單能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，對高溫環(huán)境下的工程應(yīng)用具有很好的實用價值。

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