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        基片式光纖光柵傳感器加速度試驗(yàn)研究

        2022-02-28 12:26:04杜翠翠孔德仁徐春冬
        應(yīng)用光學(xué) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:偏移量光柵傳感

        杜翠翠,孔德仁,徐春冬

        (南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210014)

        引言

        光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代常用的一種飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù),光纖傳感具有體積小、質(zhì)量輕、耐高溫及腐蝕、抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線傳感等優(yōu)點(diǎn)[1-3],可以粘貼到復(fù)合材料表面,如機(jī)身、機(jī)翼蒙皮處,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器的溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等情況,為飛行器健康狀態(tài)的判別提供重要的依據(jù)[4-6]。

        裸光纖光柵的直徑只有125 μm,在外載荷的作用下很容易發(fā)生破損[7]。因此,在工程實(shí)際應(yīng)用中,光纖光柵需要進(jìn)行封裝才能使用?;椒庋b是FBG 傳感器設(shè)計(jì)的典型形式,該形式封裝的傳感器具有可標(biāo)定、易批量、線性度高、壽命長等特點(diǎn)[8-9]。郭永興[10]等人研究了不同封裝方式的光纖光柵傳感與溫補(bǔ)特性,發(fā)現(xiàn)光柵在表面式全部粘貼和兩端粘貼封裝下的感測(cè)特性均良好,自差分溫度補(bǔ)償效果優(yōu)于裸光纖光柵,兩端粘貼封裝的溫度補(bǔ)償效果更好。Yi Kuang[11]等人總結(jié)了FBG 應(yīng)變傳感器不同金屬封裝方法的優(yōu)缺點(diǎn)。本文研究的光纖光柵傳感器采用鋁合金基底封裝,具有高靈敏度、重復(fù)性好、易標(biāo)定等特點(diǎn)。

        目前,典型的波長解調(diào)方法有匹配濾波法、非平衡Mach-Zehnder(M-Z)干涉儀法、邊緣濾波法、光譜檢測(cè)解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧Fabry-Perot(F-P)濾波器法等[12]。卜祥銀[13]采用匹配光柵法來實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG傳感器采集信號(hào)的解調(diào),但匹配光柵法自由譜范圍比較窄,不適合多通道的光纖光柵波長解調(diào)。叢蕊[14]等人將可調(diào)諧Fabry-Perot(F-P)濾波器法作為分光器件應(yīng)用于高光譜遙感,證明了該解調(diào)方法對(duì)面向高光譜遙感應(yīng)用的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和波長校準(zhǔn)具有指導(dǎo)意義。但是,可調(diào)諧濾波器件的核心部件為電致伸縮的壓電材料(如PZT),耐震性能差,不適合機(jī)載工況振動(dòng)較大的場(chǎng)合。本文采用的光譜檢測(cè)解調(diào)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高等特點(diǎn),解調(diào)速度可以達(dá)到5 kHz,波長檢測(cè)精度可達(dá)±5 pm。而且,本系統(tǒng)中的體相位光柵光譜模塊小巧,沒有壓電材料及活動(dòng)部件,能夠滿足機(jī)載抗振需求。

        因此,根據(jù)機(jī)載抗振的需求,本文設(shè)計(jì)了一種基片式鋁合金封裝光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器,開發(fā)了適用于機(jī)載復(fù)雜環(huán)境下的波長解調(diào)系統(tǒng),即基于體相位光柵和線陣光電探測(cè)器的光譜檢測(cè)解調(diào)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵中心波長的反射波長的微小偏移量進(jìn)行精確測(cè)量。另外,為了測(cè)試光纖光柵傳感器在受到加速度載荷下的傳感性能,對(duì)所設(shè)計(jì)的鋁合金封裝式光纖光柵傳感器按照GJB150.15A“加速度試驗(yàn)”要求和方法進(jìn)行加速度性能測(cè)試。

        1 基片式光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)及波長解調(diào)傳感特性

        1.1 FBG 傳感器鋁合金基底封裝設(shè)計(jì)

        圖1 為設(shè)計(jì)的基片鋁合金封裝式光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器外觀和尺寸圖??紤]到粘接點(diǎn)位置、靈敏度等參數(shù),F(xiàn)BG 應(yīng)變和溫度傳感器的尺寸大小分別為36 mm×9 mm×1 mm 和37.8 mm×14.6 mm×1 mm。光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變測(cè)量量程為?2 500 με~3 000 με,光纖光柵溫度傳感器的測(cè)溫范圍為?55 ℃~70 ℃?;撞牧线x用AlSi10Mg合金材料。封裝過程如下:用酒精清洗裸光纖光柵部分和兩端的光纖,為增加膠黏劑的附著性,先后用砂紙和丙酮打磨和清潔凹槽位置,將裸光纖光柵粘貼嵌入至封裝基底的凹槽內(nèi),采用配比均勻且適量的的環(huán)氧樹脂膠(樂泰E-20HP)涂覆在粘貼區(qū)域,并固化24 h。這種鋁合金封裝方式的FBG 傳感器直接粘貼在飛機(jī)關(guān)重件部位的復(fù)合材料表面,當(dāng)復(fù)合材料受到外界環(huán)境影響時(shí),復(fù)合材料的變形通過膠黏劑傳遞到光纖光柵傳感器,通過測(cè)量光纖光柵中心波長的變化來測(cè)得外界物理因素。

        圖1 鋁合金封裝式光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器設(shè)計(jì)Fig.1 Design of FBG strain and temperature sensor with aluminium alloy package

        1.2 FBG 傳感器傳感機(jī)理及波長解調(diào)技術(shù)

        1.2.1 FBG 傳感器的傳感原理

        圖2 為光纖光柵傳感器的傳感原理圖。光纖光柵是由纖芯、包層和涂覆層組成,其本質(zhì)是一段纖芯折射率周期性變化的光纖,當(dāng)一束寬光譜經(jīng)過光纖光柵時(shí),由于光纖光柵波長的選擇性作用,滿足布拉格條件的光被反射回來,其余的光束則透射過去不受影響,其中反射光譜的峰值即為光纖光柵的中心波長[15]。

        圖2 光纖光柵傳感原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of FBG sensing principle

        1)光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)理

        根據(jù)光纖耦合模理論,光纖 Bragg 光柵反射光的中心諧振波長取決于光柵的周期Λ 和纖芯的有效折射率neff,光纖Bragg 光柵的諧振方程為

        式中:λB為光纖Bragg 中心波長;neff為纖芯有效折射率;Λ為光柵周期。

        由于光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)的存在,應(yīng)變使得FBG 傳感器中心波長發(fā)生偏移,其公式為

        式中,ΔΛ為光柵在應(yīng)變下的彈性變形量。

        2)光纖光柵溫度傳感器的傳感機(jī)理

        當(dāng)光纖光柵處于自由狀態(tài)時(shí),或其均勻壓力場(chǎng)或軸向應(yīng)力場(chǎng)恒定時(shí),溫度引起的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)會(huì)共同導(dǎo)致布拉格光柵波長發(fā)生變化。其中,熱膨脹效應(yīng)改變光柵周期,熱光效應(yīng)使光柵區(qū)域的折射率發(fā)生改變。當(dāng)溫度變化時(shí),光柵周期的變化為

        式中,α為材料的膨脹系數(shù)

        熱光效應(yīng)引起的折射率的變化為

        式中,ξ為熱光系數(shù),表示折射率隨溫度的變化率。

        以上兩種效應(yīng)引起的光柵波長的變化為

        式中,KT為溫度靈敏度系數(shù)。

        當(dāng)光纖光柵受應(yīng)變或周圍溫度發(fā)生變化時(shí),將導(dǎo)致光柵周期 Λ和有效纖芯折射率neff發(fā)生變化,從而產(chǎn)生光柵信號(hào)中心波長的漂移。波長解調(diào)設(shè)備通過監(jiān)測(cè)光纖光柵反射波長的變化情況,即可獲得 監(jiān)測(cè)點(diǎn)上光纖光柵的應(yīng)變和溫度。

        1.2.2 FBG 傳感器波長解調(diào)技術(shù)

        波長解調(diào)原理如圖3所示。寬帶光源(BBS)發(fā)出的光經(jīng)過光耦合器后入射到光纖光柵,滿足布拉格波長條件的光被光纖光柵反射后再次通過耦合器進(jìn)入光譜檢測(cè)解調(diào)系統(tǒng),反射光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫泄庹丈涞襟w相位光柵,根據(jù)體相位光柵的分光作用,不同波長的光束經(jīng)過體相位光柵匯聚到凹面反射鏡,進(jìn)而投射成像到線陣光電探測(cè)器上。當(dāng)光柵受到多種外部環(huán)境因素(應(yīng)變、應(yīng)力、溫度等)影響時(shí),光柵周期或折射率將發(fā)生改變,引起反射波長的變化,進(jìn)而衍射角發(fā)生變化,成像到線陣光電探測(cè)器上的位置也會(huì)相應(yīng)改變。通過處理電路采集出線陣光電探測(cè)器輸出的像素電壓(或電流)信號(hào),推算出光纖光柵傳感器的中心波長值,并通過數(shù)據(jù)處理推算出監(jiān)測(cè)位置的應(yīng)變或溫度等物理量。

        圖3 波長解調(diào)原理圖Fig.3 Schematic diagram of wavelength demodulation

        2 加速度試驗(yàn)及分析

        2.1 測(cè)試方案

        為了測(cè)試所設(shè)計(jì)的FBG 傳感器在實(shí)際使用環(huán)境中是否可以承受加速度載荷以及相應(yīng)的傳感性能。本文按照GJB150.15A“加速度試驗(yàn)”的要求和方法,采用中國電子科技集團(tuán)公司第18研究所的離心機(jī)裝置,對(duì)選取的2 只光纖光柵應(yīng)變傳感器(FBG-S1,初始中心波長1 538.368 nm和FBG-S2,初始中心波長1 540.265 nm,應(yīng)變靈敏度均為0.5 pm/με)和2 只光纖光柵溫度傳感器(FBG-T1,初始中心波長1 547.854 nm 和FBG-T2,初始中心波長1 550.897 nm,溫度靈敏度均為33.5 pm/℃)在X向、Y向、Z向的6 個(gè)方向進(jìn)行了不同試驗(yàn)量值的加速度試驗(yàn)。不同方向的試驗(yàn)量值如表1所示。

        表1 加速度性能試驗(yàn)量值Table 1 Test values of acceleration performance

        光纖光柵傳感器的加速度試驗(yàn)裝置如圖4所示。為了比較傳感器在試驗(yàn)前后的性能,4 只FBG 傳感器分別需要在加速度試驗(yàn)前、試驗(yàn)中、試驗(yàn)后進(jìn)行性能測(cè)試和外觀檢查。

        圖4 光纖光柵傳感器離心機(jī)加速度試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Diagram of acceleration test equipment for FBG sensors based on centrifuge

        加速度試驗(yàn)詳細(xì)測(cè)試步驟如下:

        1)將4 只FBG 傳感器分別接入至光纖解調(diào)儀的不同通道,并連接至外部的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在試驗(yàn)開始前,對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)(溫度25 ℃,相對(duì)濕度不大于80%且不施加任何外力)下的4 只FBG傳感器持續(xù)測(cè)量2 min,并記錄其波長數(shù)據(jù);若2 min 內(nèi)波長偏移量不超過±50 pm[16](最大值與均值的差值和最小值與均值的差值),且光強(qiáng)變化不超過0.3 V,則光纖光柵傳感器性能正常。

        2)使離心機(jī)達(dá)到向前2 g,向后6 g,向上9 g,向下3 g,向左4 g,向右4 g 的加速度值,每個(gè)方向保持1 min,進(jìn)行性能檢測(cè)并記錄結(jié)果,若光纖光柵傳感器在試驗(yàn)過程中波長輸出無跳變(波長偏移不超過±2 nm,光強(qiáng)范圍為1.3 V~4.003 V)、無中斷,則光纖光柵傳感器通過加速度試驗(yàn)。

        3)試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)4 只被測(cè)FBG 傳感器的外觀(傳感器是否有脫落、損傷等)進(jìn)行檢查,并重復(fù)步驟1)對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行常態(tài)性能測(cè)試。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 試驗(yàn)前測(cè)試結(jié)果

        表2 列出了被測(cè)傳感器在2 min 內(nèi)的波長和光強(qiáng)變化量。

        表2 4 只光纖光柵傳感器在加速度試驗(yàn)前波長、光強(qiáng)變化Table 2 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors before acceleration test

        由表2 可以看出,4 只光纖光柵傳感器在2 min常態(tài)性能測(cè)試中波長偏移量均未超過±50 pm(最大偏移量為?1.809 pm),且光強(qiáng)變化未超過0.3 V(最大偏移量為0.0212 V),則證明設(shè)計(jì)的4 只光纖光柵傳感器滿足常態(tài)性能測(cè)試要求。

        3.2 試驗(yàn)中測(cè)試結(jié)果

        圖5~圖10 分別為4 只FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)中前、后、上、下、左、右6 個(gè)方向的波長、光強(qiáng)測(cè)試結(jié)果??梢钥闯觯? 只FBG 傳感器在受到不同加速度值時(shí),波長和光強(qiáng)會(huì)發(fā)生不同程度的變化。其中,波長偏移量最大波動(dòng)為±7 pm,光強(qiáng)均在1.3 V~4.003 V 內(nèi)。即4 只FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)過程中滿足輸出無跳變、無中斷的要求。

        圖5 FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)“前方向”測(cè)試波長和光強(qiáng)Fig.5 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(front-direction test)

        圖6 FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)“后方向”測(cè)試波長和光強(qiáng)Fig.6 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(rear-direction test)

        圖7 FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)“上方向”測(cè)試波長和光強(qiáng)Fig.7 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(up-direction test)

        圖8 FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)“下方向”測(cè)試波長和光強(qiáng)Fig.8 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(down-direction test)

        圖9 FBG 傳感器加速度試驗(yàn)“左方向”測(cè)試波長和光強(qiáng)Fig.9 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(left-direction test)

        3.3 試驗(yàn)后測(cè)試結(jié)果

        表3 列出了4 只FBG 傳感器在加速度試驗(yàn)后的2 min 內(nèi)測(cè)試波長和光強(qiáng)變化??梢钥闯鰝鞲衅髟诩铀俣仍囼?yàn)后2 min 常態(tài)性能測(cè)試中波長偏移量均未超過±50 pm(最大偏移量為?1.206 pm),且光強(qiáng)變化未超過0.3 V(最大偏移量為0.021 2 V)。

        表3 4 只FBG 傳感器在加速度“試驗(yàn)后”波長和光強(qiáng)變化Table 3 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors(after acceleration test)

        試驗(yàn)結(jié)果表明:在加速度試驗(yàn)前后的 2 min 性能測(cè)試中,波長偏移量均未超過±50 pm,且光強(qiáng)變化未超過0.3 V。在加速度試驗(yàn)中,波長偏移量最大波動(dòng)為±7 pm,光強(qiáng)均在1.3 V~4.003 V 范圍內(nèi),且試驗(yàn)后傳感器外觀良好,無脫落情況。驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的光纖光柵傳感器具備承受加速度載荷的能力,且承受載荷期間傳感性能良好。

        4 結(jié)論

        本文根據(jù)FBG 傳感器機(jī)載抗振的需求,設(shè)計(jì)了一種基片式鋁合金封裝光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器,按照GJB150.15A“加速度試驗(yàn)”要求和方法,對(duì)選取的4 只FBG 傳感器進(jìn)行了加速度性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,在加速度6 個(gè)測(cè)試方向試驗(yàn)中,波長偏移量最大波動(dòng)為±7 pm,光強(qiáng)均在1.3 V~4.003 V 內(nèi),滿足輸出無跳變(波長偏移不超過±2 nm,光強(qiáng)范圍在1.3 V~4.003 V 內(nèi))、無中斷的要求。說明了所設(shè)計(jì)的FBG 傳感器具備承受加速度載荷的能力,且承受載荷期間傳感性能良好,可應(yīng)用于載機(jī)關(guān)重件結(jié)構(gòu)的相關(guān)物理參數(shù)的測(cè)量。

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