李 晶,孟立凡*,李 菠,劉春美

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)管的光纖法珀應(yīng)變傳感器

李 晶1,孟立凡1*,李 菠1,劉春美2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)變傳感器。通過將一段石英毛細(xì)管與單模光纖熔接在一起,并將石英毛細(xì)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(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明:在常溫(20 ℃)下,采用波峰(谷)追蹤法解調(diào),傳感器對(duì)應(yīng)變有良好的線性響應(yīng),且靈敏度為1.34 pm/με,最小應(yīng)變分辨率為3.73 με,傳感器的溫度敏感系數(shù)約為5.66 pm/℃。因此,該傳感器在應(yīng)變測(cè)試中存在一定的潛在應(yīng)用價(jià)值。

應(yīng)變傳感器;光纖;法布里-珀羅;石英毛細(xì)管

現(xiàn)代社會(huì)中,應(yīng)變傳感器被廣泛地應(yīng)用于大跨度橋梁、水壩、隧道等重要建筑的安全健康監(jiān)測(cè)中[1-3]。光纖應(yīng)變傳感器因具有尺寸小、精度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為應(yīng)變測(cè)試的重要研究?jī)?nèi)容[4-5]。目前,光纖應(yīng)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(huán)[15]等的結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)基于光纖布拉格光柵的應(yīng)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(yīng)變傳感器一般需要用到光纖錯(cuò)位焊接以及環(huán)路檢測(cè)系統(tǒng),加工難以控制[12,16];基于光子晶體光纖的應(yīng)變傳感器成本較高[14]。因此,光纖法珀應(yīng)變傳感器成為光纖應(yīng)變傳感器研究熱點(diǎn)。目前,利用化學(xué)腐蝕[17-18]、電弧放電[10]、光子晶體光纖應(yīng)用[14,19]等技術(shù)制作出了各種結(jié)構(gòu)的光纖法珀應(yīng)變傳感器,不同的結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出了不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于錐形石英毛細(xì)管的光纖法珀應(yīng)變傳感器,分析了傳感器的工作原理和理論應(yīng)變靈敏度,測(cè)試了傳感器的應(yīng)變響應(yīng),并分析了溫度對(duì)傳感器零位輸出的影響。傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低廉。

1 光纖法珀應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)和加工

圖1(a)為傳感器結(jié)構(gòu)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(xì)管端面切平;(2)用光纖熔接機(jī)(FITEL,S183 version 2,Japan)將單模光纖與石英毛細(xì)管熔接在一起;(3)在顯微鏡下將石英毛細(xì)管切斷,并保留其適當(dāng)長(zhǎng)度。其中SMF的直徑為125 μm,纖芯直徑為9 μm;石英毛細(xì)管內(nèi)外徑分別為125 μm和22 μm。在熔接時(shí),適當(dāng)增強(qiáng)放電強(qiáng)度和時(shí)間,使石英毛細(xì)管前端塌陷為錐形。熔接經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)光纖熔接機(jī)初始和結(jié)束放電強(qiáng)度為100 unit,放電時(shí)間為600 ms時(shí),石英毛細(xì)管最前端內(nèi)徑為5 μm左右。為方便傳感器后續(xù)固定,石英毛細(xì)管長(zhǎng)度保留較長(zhǎng)。圖1(b)為電子顯微鏡下傳感器側(cè)面與截面圖,石英毛細(xì)管長(zhǎng)度為2 191 μm。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和傳感器側(cè)面與截面圖

圖2 傳感器干涉光譜圖

2 光纖法珀應(yīng)變傳感器的光學(xué)干涉原理

光沿SMF傳播時(shí),90%以上的光能量分布在纖芯中。在光纖-石英毛細(xì)管反射面(R1)處,由于錐形區(qū)域前端內(nèi)徑小于光纖纖芯直徑,纖芯中一部分光在錐形區(qū)域的前端反射,纖芯中剩余的光和包層中的光進(jìn)入石英毛細(xì)管,在石英毛細(xì)管端面(R2)反射。兩部分反射光進(jìn)入光纖中,相互干涉,形成干涉條紋。根據(jù)文獻(xiàn)[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(qiáng),其值與反射面的反射率和錐形區(qū)域前端內(nèi)徑有關(guān);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(xì)管的折射率,L為石英毛細(xì)管的長(zhǎng)度,即法珀腔的腔長(zhǎng),λ為光的波長(zhǎng)。圖2為石英毛細(xì)管長(zhǎng)度為2 191 μm時(shí)的干涉光譜圖。從圖2可以看出,干涉光譜強(qiáng)度為-39 dB,對(duì)比度為7 dB左右,且纖細(xì)度較高。

3 光纖法珀應(yīng)變傳感器的工作原理及靈敏度分析

從式(1)可以看出,當(dāng)干涉光譜達(dá)到最小值時(shí),即光在波谷位置時(shí),相位滿足

φm=4πnL0/λm=(2m+1)π

(3)

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

當(dāng)有應(yīng)變作用在法珀腔上時(shí),法珀腔腔長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)式(1)和式(2)以及模擬仿真可知,干涉光譜會(huì)發(fā)生左右移動(dòng)。傳感器法珀腔腔長(zhǎng)的變化可以由式(4)得到

ΔL=ηΔεL0

(4)

式中:Δε為懸臂梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上產(chǎn)生的應(yīng)變,η為應(yīng)變從懸臂梁傳遞到傳感器上的傳遞系數(shù),且η≤1。當(dāng)?shù)趍級(jí)干涉波谷波長(zhǎng)從λm移動(dòng)到λm+Δλm時(shí),相位仍為同一級(jí)的相位,即滿足

(5)

將式(4)代入到式(5)中,可以簡(jiǎn)化得到應(yīng)用波峰(谷)追蹤解調(diào)方法時(shí)應(yīng)變傳感器的靈敏度為

Δλm/Δε=ηλm

(6)

從式(6)可知,如果選擇波長(zhǎng)為1 550 nm附近的波峰(谷)進(jìn)行解調(diào),傳感器的最大靈敏度為1.55 pm/με,此時(shí)應(yīng)力傳遞系數(shù)η=1。

4 光纖法珀應(yīng)變傳感器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖3(a)為傳感器應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)示意圖。使用應(yīng)變膠(KYOWA,#2129,Japan)將傳感器粘結(jié)在等強(qiáng)度懸臂梁上,懸臂梁末端連接重物,使懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)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(jié)構(gòu)使懸臂梁表面各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變相等。懸臂梁上的應(yīng)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(zhǎng)度、寬度和厚度,m為重物的質(zhì)量,g為重力加速度。

為避免測(cè)試誤差,我們制作了法珀腔腔長(zhǎng)分別為1 823 μm和2 207 μm的兩個(gè)樣本傳感器(樣本1和樣本2)分別進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試環(huán)境溫度約為20 ℃。

圖3 傳感器測(cè)試系統(tǒng)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(dòng)圖

按照?qǐng)D3(a)的系統(tǒng)安裝圖,將傳感器粘結(jié)在懸臂梁上,末端重物以15 g為步進(jìn)增加至180 g,相應(yīng)的應(yīng)變從0 με變化至385 με。記錄不同重物時(shí)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(shí)的光譜。從圖4可以看出,當(dāng)應(yīng)變逐漸增加時(shí),干涉光譜逐漸往長(zhǎng)波長(zhǎng)方向發(fā)生移動(dòng)。選擇干涉光譜在1 566 nm附近處的波谷進(jìn)行記錄。

圖5為傳感器波長(zhǎng)移動(dòng)與應(yīng)變關(guān)系圖。從圖5可以看出傳感器對(duì)應(yīng)變具有良好的線性響應(yīng),樣本1和樣本2的響應(yīng)靈敏度分別為1.34 pm/με和1.10 pm/με,擬合系數(shù)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(shí),兩只傳感器應(yīng)變傳遞系數(shù)分別為85.57%和70.24%。結(jié)合OSA的掃描精度,兩樣本傳感器能分辨的最小應(yīng)變精度分別為3.73 με和4.55 με。

圖5 傳感器應(yīng)變響應(yīng)特性

為了研究傳感器對(duì)溫度的響應(yīng),我們將傳感器置于馬弗爐(Nabertherm,sn209012,Germany)中,并設(shè)置馬弗爐的溫度從室溫(20 ℃)升至100 ℃,每次步長(zhǎng)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(dòng)與溫度關(guān)系圖。從圖6可以看出傳感器對(duì)溫度變化有很好的線性響應(yīng),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(yīng)變-溫度交叉系數(shù)為4.22 με/℃ 和5.10 με/℃。

圖6 傳感器溫度響應(yīng)特性

5 結(jié)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(yīng)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(diào)時(shí)的應(yīng)變靈敏度。將傳感器粘結(jié)在等強(qiáng)度懸臂梁上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明常溫下傳感器對(duì)應(yīng)變有良好的線性響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)還測(cè)試了傳感器的溫度敏感系數(shù),分析了溫度誤差。實(shí)驗(yàn)表明傳感器具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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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?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器,lijing1510101@163.comm;

孟立凡(1955-),女,通信作者(導(dǎo)師),漢族,中北大學(xué)教授,研究領(lǐng)域?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器,menglifan@nuc.edu.cn。