馮翔宇，曾 捷，李 鈺，李志慧，龔曉靜，張旭蘋，馬 馳，周 林

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016；2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海200240；3.圖盧茲大學(xué)法國國家科學(xué)研究中心航空結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，法國圖盧茲；4.南京大學(xué) 光通信工程研究中心，江蘇南京210008）

低溫環(huán)境光纖光柵反射光譜感應(yīng)特性研究

馮翔宇1，曾 捷1，李 鈺2，李志慧2，龔曉靜3，張旭蘋4，馬 馳1，周 林1

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016；2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海200240；3.圖盧茲大學(xué)法國國家科學(xué)研究中心航空結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，法國圖盧茲；4.南京大學(xué) 光通信工程研究中心，江蘇南京210008）

為提升光纖光柵低溫傳感性能，對(duì)低溫環(huán)境中光纖光柵反射光譜響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。建立了低溫模擬環(huán)境光纖光柵傳感器反射光譜響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)。分別對(duì)不同溫度下自由狀態(tài)有／無涂覆層、不同膠接狀態(tài)的光纖光柵反射光譜低溫響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了半波展寬、反射波峰幅值和偏移量等性能。結(jié)果表明：涂覆層與膠粘液屬性均會(huì)不同程度影響光柵柵區(qū)受力的均勻性，造成波峰分裂或旁瓣等啁啾現(xiàn)象?；诠鈻诺蜏剡毙?yīng)產(chǎn)生機(jī)理，研制了一種封裝結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器，用聚合物對(duì)無涂覆層光纖光柵進(jìn)行封裝，基片為低熱膨脹系數(shù)的合金材料，膠粘劑為高性能紫外膠。試驗(yàn)表明：該傳感器有良好低溫響應(yīng)特性，反射光譜平滑，且基本無旁瓣。

光纖光柵；低溫環(huán)境；反射光譜；非均勻應(yīng)變；啁啾現(xiàn)象；旁瓣；膠液；封裝

0 引言

航天器結(jié)構(gòu)通常處于低溫、強(qiáng)輻射、真空等惡劣服役環(huán)境，這對(duì)用于其服役狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測的傳感器性能提出很高要求。常規(guī)電阻應(yīng)變計(jì)因存在磁阻效應(yīng)需要復(fù)雜的屏蔽封裝，不易大規(guī)模布點(diǎn)測量。在熱電偶測溫場合，大量傳輸線纜不僅增加系統(tǒng)質(zhì)量，甚至還會(huì)改變結(jié)構(gòu)剛度或固有頻率［1－2］。光纖光柵（FBG）傳感器具有體積小、柔韌性好、抗電磁干擾、易于分布式測量，以及適于埋入材料內(nèi)部等優(yōu)點(diǎn)，已成為航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［3－6］。文獻(xiàn)［7］研究了光纖光柵在溫度2～400K的傳感特性，低溫下光柵中心波長與溫度間呈非線性關(guān)系。文獻(xiàn)［8］發(fā)現(xiàn)在低溫下FBG的反射光譜會(huì)出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，并將此反?，F(xiàn)象歸因于低溫下光纖微結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的變化。文獻(xiàn)［9］研究了液氮環(huán)境中光纖光柵的靜態(tài)傳輸特性，確定了液氮溫度下懸臂梁應(yīng)變與光纖光柵中心波長偏移量間的關(guān)系。上述研究主要側(cè)重于低溫環(huán)境光纖光柵傳感器靈敏度響應(yīng)特性，并已取得較好成果。由于空間低溫環(huán)境中涂覆層與膠粘液易造成光纖光柵柵區(qū)局部受力不均勻，進(jìn)而引起反射光譜旁瓣增大，甚至多峰等啁啾現(xiàn)象?；诖耍疚姆謩e研究有／無涂覆層的光纖光柵傳感器、膠粘液屬性對(duì)反射光譜低溫響應(yīng)特性的影響，分析光柵低溫啁啾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，研究了適于低溫環(huán)境的封裝結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器，并開展了相關(guān)低溫環(huán)境試驗(yàn)。

1 FBG傳感原理

光纖布拉格光柵是利用光纖材料光敏性在纖芯形成空間相位光柵，屬于一種反射型光纖傳感器，僅反射某個(gè)特定波長附近的窄帶光波，其基本公式為

式中：λ為反射光譜中心波長；n為纖芯平均有效折射率；Λ為光柵周期［10］。當(dāng)FBG所處位置溫度場或應(yīng)變場變化時(shí)，反射光譜中心波長會(huì)隨之而變。

當(dāng)光纖光柵傳感器僅受應(yīng)力作用時(shí)，Λ，n與柵區(qū)所受應(yīng)變?chǔ)抨P(guān)系分別為

式中：ΔΛ，Δn分別為Λ，n的變化量；Pe為光彈系數(shù)。

當(dāng)光纖光柵傳感器僅受溫度作用時(shí)，其有效折射率、應(yīng)變與溫度T間的關(guān)系分別為

式中：α為熱膨脹系數(shù)；ξ為熱光系數(shù)。

當(dāng)光纖光柵傳感器同時(shí)受溫度與應(yīng)變作用時(shí)，反射光譜中心波長偏移量Δλ與應(yīng)變?chǔ)う藕蜏囟茸兓關(guān)系分別為

式中：Kε，KT分別為應(yīng)變和溫度靈敏度系數(shù)［11］。當(dāng)光柵柵區(qū)受均勻應(yīng)變或溫度載荷時(shí)，F(xiàn)BG反射光譜平滑且較為對(duì)稱；當(dāng)光柵柵區(qū)受非均勻應(yīng)變或溫度載荷時(shí)，反射光譜存在波峰展寬、反射率降低甚至多峰等啁啾現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)

建立低溫模擬環(huán)境光纖光柵傳感器反射光譜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由CH250C環(huán)境試驗(yàn)箱、ASE寬帶光源、AQ6317光譜分析儀、PT100鉑電阻、光纖光柵解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)等組成。

研究中用相位掩膜法技術(shù)寫入的光柵，即利用相位光柵掩模近場衍射產(chǎn)生的干涉條紋在光纖中形成折射率周期性變化的Bragg光柵，分別研究有／無涂覆層光纖光柵對(duì)應(yīng)的反射光譜，并用AB膠、共和膠將無涂覆層光纖光柵粘貼于試件表面，以考察膠粘液屬性對(duì)反射光譜響應(yīng)特性的影響。

將基于不同光柵結(jié)構(gòu)和膠接方法的光纖光柵傳感器置于試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱溫度－75～－10℃。光譜測量原理如圖1所示，寬帶光波信號(hào)經(jīng)耦合器進(jìn)入處于低溫環(huán)境的光纖光柵傳感器，由光纖光柵形成的反射光譜信號(hào)進(jìn)入光譜分析儀。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 自由狀態(tài)光纖光柵反射光譜低溫響應(yīng)特性

實(shí)驗(yàn)所得低溫環(huán)境中處于自由狀態(tài)的無／有涂覆層光纖光柵傳感器反射光譜在不同溫度下響應(yīng)特性曲線分別如圖2、3所示。

由圖2可知：隨著溫度降低，無涂覆層光纖光柵反射光譜呈現(xiàn)向低波長方向平移趨勢，光譜較平滑，且無旁瓣，這表明無涂覆層光纖光柵在低溫下仍具有良好的傳感性能；有涂覆層光纖光柵在低溫下光譜存在明顯旁瓣，特別是當(dāng)溫度降至－70℃時(shí)，其反射光譜帶寬明顯變寬，光譜能量降低。這是因?yàn)橛型扛矊庸饫w光柵外側(cè)的涂覆層熱膨脹系數(shù)與光柵熱膨脹系數(shù)存在差異，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)，柵區(qū)受到非均勻應(yīng)變作用，導(dǎo)致反射光譜出現(xiàn)畸變，從而影響其傳感性能。低溫環(huán)境中不同溫度下有／無涂覆層光纖光柵的靈敏度如圖4所示。由圖4可知：有涂覆層的光纖光柵溫度靈敏度約9.4pm／℃，略高于無涂覆層光纖光柵傳感器，但其線性度略劣于無涂覆層光纖光柵傳感器。

3.2 不同膠接下光纖光柵反射光譜低溫響應(yīng)特性

為研究粘貼后的光纖光柵在不同低溫環(huán)境中的光譜響應(yīng)特性，分別用AB膠、共和膠將無涂覆層光纖光柵粘貼于試件表面。結(jié)果表明：用AB膠粘貼的無涂覆層光纖光柵存在波峰分裂，且隨著溫度減低，反射光譜呈現(xiàn)幅值下降、半波寬度顯著增加等特點(diǎn)，如圖5所示。

不同溫度下用AB膠粘貼的無涂覆層光纖光柵傳感器的半波峰帶寬如圖6所示。由圖6可知：隨著溫度降低，光柵反射光譜半波峰帶寬顯著增加，且呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)趨勢。－70℃時(shí)，光纖光柵半波峰帶寬約0.42nm，而在常溫下光纖光柵半波峰帶寬一般小于0.3nm，這表明低溫環(huán)境中此種膠液屬性易引起光纖光柵反射光譜啁啾現(xiàn)象。

用共和膠粘貼于試件結(jié)構(gòu)的無涂覆層光纖光柵反射光譜未出現(xiàn)明顯波峰分裂現(xiàn)象，但反射光譜旁瓣呈現(xiàn)一定突出，如圖7所示。這是因?yàn)楣埠湍z本身低溫特性較好，且膠液輕薄勻稱，且熱膨脹系數(shù)較小。

圖5、7中所示的光纖光柵傳感器低溫下反射光譜均存在不同程度啁啾現(xiàn)象，這主要是由柵區(qū)受力非均勻造成的。當(dāng)柵區(qū)受非均勻溫度T（z）或應(yīng)力載荷ε（z）時(shí)，各位置柵格發(fā)生非均勻伸縮，各有效作用子?xùn)偶瓷涑霾煌ㄩL子反射譜。由于各子反射譜間距相對(duì)其帶寬較小，子譜間大部分重疊，最終形成啁啾反射譜［12］。

在實(shí)際膠接過程中，光纖光柵、粘膠劑及基底的熱膨脹系數(shù)存在差異，當(dāng)溫度變化時(shí)，柵區(qū)易受不同材料間相互約束引起的非均勻彈性應(yīng)變。此外，柵區(qū)粘膠層厚度不均勻也會(huì)導(dǎo)致柵區(qū)受力不均勻。

3.3 封裝光纖光柵反射光譜低溫響應(yīng)特性

為消除低溫環(huán)境啁啾效應(yīng)對(duì)光柵反射光譜的負(fù)面影響，用聚合物對(duì)無涂覆層光纖光柵進(jìn)行封裝，如圖8所示。封裝采用熱膨脹系數(shù)較低的合金材料作為基片，其在量程內(nèi)無屈服現(xiàn)象?；鸬綉?yīng)變傳遞作用，用于降低光纖光柵熱彈性應(yīng)變水平及其受力非均勻性。膠粘劑選用力學(xué)性能較好，粘稠度適中，且易于掛膠的高性能紫外膠。

將基片封裝型光纖光柵置于環(huán)境試驗(yàn)箱，測得低溫反射光譜響應(yīng)特性如圖9所示。由圖9可知：封裝光纖光柵反射光譜隨溫度降低向低波長方向均勻平移，無明顯旁瓣，具有良好的應(yīng)變傳遞效果。

分別將自由狀態(tài)及粘貼于鋁合金試件的封裝光纖光柵傳感器置于環(huán)境試驗(yàn)箱，用光纖光柵解調(diào)儀記錄不同溫度下光柵中心波長，結(jié)果如圖10所示。圖10中：紅色實(shí)線圓形標(biāo)識(shí)表示處于自由狀態(tài)的封裝光纖光柵傳感器中心波長偏移曲線。該傳感器可用于溫度測量，有良好線性度，其溫度靈敏度約15.2pm／℃，而粘貼于鋁合金試件的封裝光纖光柵傳感器溫度靈敏度28.3pm／℃。經(jīng)溫度補(bǔ)償，可得溫度－70～－20℃范圍內(nèi)，鋁合金試件所受熱應(yīng)變引起中心波長偏移量約640.2pm。

3.4 不同膠接與封裝形式反射光譜低溫特性比較

在低溫環(huán)境－70℃下，不同膠接條件的無涂覆層光纖光柵反射光譜如圖11所示。由圖11可知：用AB膠粘貼的無涂覆層光纖光柵反射光譜能量幅值相對(duì)較小，不僅存在半波展寬，而且呈現(xiàn)波峰開裂等啁啾現(xiàn)象；用共和膠粘貼的無涂覆層光纖光柵反射光譜雖然半波寬度顯著減小，但仍存在一定旁瓣；用共和膠粘貼封裝光纖光柵反射光譜幅值較高，不僅半波展寬顯著縮小，而且譜形較光滑，應(yīng)變傳遞性能優(yōu)于其它膠接與封裝形式。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)航天器空間服役狀態(tài)監(jiān)測需求，通過實(shí)驗(yàn)研究了不同膠接結(jié)構(gòu)形式的光纖光柵低溫反射光譜特性，分析了光柵啁啾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)提升光纖光柵傳感器低溫傳感特性有一定的參考意義。研究發(fā)現(xiàn)：低溫下處于自由狀態(tài)的含涂覆層光纖光柵反射光譜有明顯旁瓣，這主要是由涂覆層與纖芯熱膨脹系數(shù)不同引起的柵區(qū)受力不均所致，而無涂覆層光纖光柵反射光譜較平滑，且基本無旁瓣；用AB膠粘貼的無涂覆層光纖光柵反射光譜隨溫度降低存在波峰分裂、幅值下降及半波展寬等現(xiàn)象，這是由于粘膠劑與纖芯熱膨脹系數(shù)差異造成柵區(qū)非均勻應(yīng)變，用共和膠粘貼的無涂覆層光纖光柵反射光譜未出現(xiàn)明顯波峰分裂，但存在旁瓣；基于低熱膨脹系數(shù)基片封裝的光纖光柵有良好低溫響應(yīng)特性，其反射光譜平滑且無旁瓣，一定程度消除了啁啾現(xiàn)象，還可實(shí)現(xiàn)熱載荷下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測，為后續(xù)航天器空間環(huán)境服役狀態(tài)在軌監(jiān)測提供了可能。為進(jìn)一步消除由超低溫效應(yīng)引起的光纖光柵柵區(qū)非均勻應(yīng)變?cè)斐傻倪爆F(xiàn)象，后續(xù)可考慮對(duì)用模式辨識(shí)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫環(huán)境中非均勻應(yīng)變作用下光纖光柵反射光譜特征參量辨識(shí)進(jìn)行研究，以進(jìn)一步提升傳感器測量精度。

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Study on Reflection Spectrum Characteristic of Fiber Bragg Grating under Low Temperature Environment

FENG Xiang－yu1，ZENG Jie1，LI Yu2，LI Zhi－h(huán)ui2，GONG Xiao－jing3，ZHANG Xu－ping4，MA Chi1，ZHOU Lin1
（1.State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu，China；2.Shanghai Institute of Spacecraft Equipment，Shanghai 200240，China；3.French National Center for Scientific Research，Universitéde Toulouse，Toulouse France；4.Institute of Optical Communication Engineering，Nanjing University，Nanjing 210008，Jiangsu，China）

To improve sensing performances of fiber Bragg grating in low temperature environment，the reflection spectrum characteristic of fiber Bragg grating under low temperature environment was studied in this paper.The experiment system of reflection spectrum characteristic of fiber Bragg grating under low temperature simulation environment was established.The reflection spectrum characteristics of the fiber Bragg grating with／without coating and within various glue pasted were studied under different low temperatures.The half wave broadening，reflection wave amplitude and offset were analyzed.It found that the coating layer and adhesive mucus properties would affect the uniformity of the grating force in different degree，which could cause chirp phenomenon such as wave splitting and sidelobe.Based on the analysis of the mechanism of chirp effect of the grating at low temperature，a novel fiber Bragg grating strain sensor encapsulation was developed.The no coating sensor was encapsulated by polymer.The chip was made of alloy material with low coefficient of thermal expansion.The adhesive was ultraviolet glue with high performance.The test showed that this sensor had the characteristic of good low temperature response and reflection spectrum which was smooth with no sidelobe.

fiber Bragg grating；low temperature environment；reflection spectrum；non－uniform strain；chirp phenomenon；sidelobe；glue；encapsulation

TN253

A

10.19328／j.cnki.1006－1630.2017.01.004

1006－1630（2017）01－0027－05

2016－07－18；

2016－08－15

國家自然科學(xué)基金－聯(lián)合基金資助（U1537102）；上海航天科技創(chuàng)新基金資助（SAST2015062）

馮翔宇（1992—），女，碩士生，主要研究方向?yàn)樾滦凸饫w傳感技術(shù)及其應(yīng)用。