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(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子(未來技術(shù))學(xué)院,南京 210023)

2) (中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院,西安 710051)

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

多參量的動態(tài)檢測對于隧道、橋梁和管道等結(jié)構(gòu)疲勞損傷的預(yù)測具有重要意義,開發(fā)一種高靈敏度、環(huán)境友好、低成本和易于操作的多參量動態(tài)檢測技術(shù)一直是業(yè)界追求的目標(biāo).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(jié)構(gòu)和原理復(fù)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(shè)計并制作了一種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變化,并具有溫度自補償功能.實驗結(jié)果表明: 該傳感器的快軸和慢軸對于溫度的響應(yīng)不同,其線性靈敏度分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,溫度補償系數(shù)為0.8 pm/℃,平均扭轉(zhuǎn)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(yīng)相同,線性靈敏度為31.5 pm/mm.當(dāng)改變傳感器周圍的溫度場,其位移和扭轉(zhuǎn)傳感性能不受影響,可實現(xiàn)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(zhuǎn)測量,同時具有較低的制作成本,有望為多參量動態(tài)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(yōu)點,已經(jīng)廣泛用于巖土工程、航空航天、醫(yī)療研究等領(lǐng)域[1-4].由于FBG 對應(yīng)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(yīng)用中往往需要設(shè)置多個FBG 傳感器分別測量溫度、應(yīng)變和位移等物理參量,既增加了成本預(yù)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(yīng)用中具有重要意義[6-8],設(shè)計一種具有溫度自補償功能的多參量傳感器可以簡化監(jiān)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(jié)構(gòu).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(yīng)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(huán)境變化產(chǎn)生不同的響應(yīng).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(xiàn)溫度、縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變或扭轉(zhuǎn)的同時測量[9-12].

近年來,許多專家學(xué)者基于FBG 設(shè)計了各種類型的多參量傳感器和多參量傳感系統(tǒng).2019 年,Huang 等[13]利用FBG 傳感器陣列實現(xiàn)了應(yīng)變、溫度和壓力的同時測量,并將其應(yīng)用于管道系統(tǒng)的實時狀態(tài)監(jiān)測;同年,Leal-Junior 等[14]基于8 個FBG傳感器實現(xiàn)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(shè)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(shè)計了一種多參量傳感器,該傳感器可以同時測量溫度、應(yīng)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(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜,未對FBG 進行有效封裝,傳感器力學(xué)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(shù),設(shè)計并制作了一種可以同時測量位移、扭轉(zhuǎn)和溫度的新型PMFBG 多參量傳感器.該傳感器的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)和彎曲的響應(yīng)不同,所設(shè)計的PM-FBG 傳感器可以分別將傳感臂的位移和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榍度雮鞲星粌?nèi)的PM-FBG 的彎曲和扭轉(zhuǎn),從而可以檢測特定位置上兩個垂直方向上的位移和扭轉(zhuǎn)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(jié)果的影響,從而實現(xiàn)溫度的自補償.此外,PM-FBG 柵區(qū)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(zhǔn)確度較高.本文所提出的PM-FBG 具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、力學(xué)性能好和制作成本低等優(yōu)勢,有望為多參量動態(tài)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(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致光波的兩種偏振模式在纖芯內(nèi)傳播的速度不同,從而產(chǎn)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(chǎn)生的應(yīng)力誘導(dǎo)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?shù)乃俣炔煌纬闪丝燧S與慢軸,在PMF 上寫入FBG相當(dāng)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(jié)構(gòu)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(jù)PM-FBG 兩個波峰對溫度和應(yīng)變的響應(yīng)規(guī)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(guān)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(shù),KD為PM-FBG 的位移靈敏度系數(shù).

當(dāng)線性偏振光輸入PM-FBG 時,PMF 的慢軸和快軸分別產(chǎn)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(zhuǎn)的響應(yīng)不同,具體表現(xiàn)為PM-FBG 的快軸和慢軸對扭轉(zhuǎn)的響應(yīng)不同[6].PM-FBG 沿順時針扭轉(zhuǎn)角度ΔA與快軸和慢軸的峰值強度之間的關(guān)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(zhuǎn)靈敏度,ΔA代表PM-FBG 的扭轉(zhuǎn)角度.當(dāng)PM-FBG 沿逆時針扭轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(qū)長度為6 mm);然后通過熔融沉積3D 打印技術(shù)(fused deposition modeling,FDM)將FBG 嵌入圖2 所示的結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(huán)境位移和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)镻M-FBG 的彎曲和扭轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)位移和扭轉(zhuǎn)的同時測量.

本文采用的PM-FBG 和銅合金彈簧的熱膨脹系數(shù)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(shù)越小,其熱性能越穩(wěn)定.若彈簧發(fā)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(chǎn)生的軸向應(yīng)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(tǒng),該系統(tǒng)主要包括PM-FBG 傳感器、寬帶光源(ASE,Hoyatek)、偏振控制器、環(huán)形器、光譜分析儀(OSA,AQ6375B,Yokogawa)和計算機數(shù)據(jù)處理模塊.其中,ASE 寬帶光源發(fā)出的偏振光依次通過單模光纖(SMF-G.652)、偏振控制器和環(huán)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(diào)節(jié)偏振控制器可以調(diào)整光的輸出偏振狀態(tài),PM-FBG 傳感器的扭轉(zhuǎn)和位移變化由傳感臂控制.

圖3 PM-FBG 傳感器測試系統(tǒng)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(zhǔn): 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(tài),旋轉(zhuǎn)偏振控制器設(shè)置PMFBG 快軸的反射峰趨近于0 時的扭轉(zhuǎn)角度為0°;最后,將光纖固定于傳感器模塊內(nèi),此時,傳感臂的旋轉(zhuǎn)角度默認為0°.

3 實驗結(jié)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(jié)果顯示,兩者的測試結(jié)果基本相同,且在升溫至80 ℃時,彈簧和傳感器模塊均未發(fā)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(yīng)變對測量結(jié)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(tài)(旋轉(zhuǎn)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(jié)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(yīng)的波峰的相對強度保持不變,而中心波長發(fā)生紅移;對圖4(a)中的PM-FBG 的中心波長與溫度的關(guān)系進行線性擬合,波長與溫度具有良好的線性關(guān)系.此外,由于PMFBG 的快軸和慢軸的熱膨脹系數(shù)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(yīng)的波峰的靈敏度系數(shù)分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃;圖4(b)是根據(jù)PM-FBG 的快軸和慢軸的波長差(Δλ=λS—λF)與溫度擬合得到的關(guān)系曲線,擬合系數(shù)R2=0.99995,傳感器的溫度補償系數(shù)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(guān)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(zhuǎn)至90°的反射譜,從圖5(a)可以看出,從0°旋轉(zhuǎn)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(xiàn)象是由PMF 內(nèi)部正交偏振模式的變化引起的.進一步,調(diào)節(jié)PMFBG 傳感器的傳感臂,使其從—90°(逆時針)逐漸旋轉(zhuǎn)至90°(順時針),旋轉(zhuǎn)步長為15°.如圖5(b)所示,PM-FBG 傳感器反射峰的強度隨扭轉(zhuǎn)角的變化遵循正弦變化規(guī)律,并且對順時針扭轉(zhuǎn)和逆時針扭轉(zhuǎn)的響應(yīng)不同,其中,正弦擬合曲線的方差R2=1,平均扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)靈敏度有所提高.

圖5 (a) PM-FBG 傳感器不同扭轉(zhuǎn)角度光譜圖;(b)對應(yīng)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(guān)系進行標(biāo)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(chǎn)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(yīng);(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(yīng)結(jié)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(guān)系.如圖6(c)所示,對波長與曲率之間的關(guān)系進行線性擬合,結(jié)果顯示,其線性斜率均為82 pm/mm—1,線性系數(shù)R2分別為0.998 和0.999,該現(xiàn)象與PM-FBG 對溫度的響應(yīng)規(guī)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(guān)系,對傳感臂位移與PM-FBG 峰值波長的關(guān)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(xiàn)多參量的交叉測量,分別在0,40 和80 ℃的環(huán)境下測試PMFBG 傳感器的位移和扭轉(zhuǎn)傳感性能.如圖7(a)所示,當(dāng)環(huán)境的溫度場和位移同時發(fā)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(shù)同時測量 (a) 溫度對位移的影響;(b) 溫度對扭轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shù)不同,但位移的增大只會導(dǎo)致兩者的線性紅移.因此,基于以上原理,該傳感器可以實現(xiàn)溫度和位移的同時測量.

接下來,研究了當(dāng)PM-FBG 傳感器傳感臂的扭轉(zhuǎn)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(jié)果表明,溫度場的變化不會造成傳感器的光譜形狀發(fā)生變化,即溫度不會影響傳感器的扭轉(zhuǎn)測量(圖7(b)中PMF 的截面為PM-FBG 扭轉(zhuǎn)角度的示意圖).因此,PM-FBG 傳感器可以實現(xiàn)溫度與扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn).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(dǎo)致快軸和慢軸的波峰發(fā)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(zhuǎn),在波長漂移的過程中,快軸和慢軸的峰值強度發(fā)生變化.綜合以上分析,PM-FBG 傳感器可以實現(xiàn)溫度、位移和扭轉(zhuǎn)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(jié)果,計算得到了PM-FBG 傳感器溫度、位移和扭轉(zhuǎn)同時測量的解調(diào)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(zhuǎn)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(jù)(9)式—(11)式的解調(diào)方程組,PMFBG 傳感器可以將外界的溫度、位移和扭轉(zhuǎn)的變化轉(zhuǎn)換為波長和波峰的變化,從而實現(xiàn)3 個參量的同時檢測.

4 結(jié)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(diào)節(jié)范圍為0—20 mm;扭轉(zhuǎn)靈敏度為0.20DB/(°),扭轉(zhuǎn)可調(diào)節(jié)范圍為180°(—90°—+90°);PM-FBG 的快軸和慢軸的溫度靈敏度系數(shù)分別為11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,溫度補償系數(shù)為0.8 pm/℃,以上3 種靈敏度均優(yōu)于商用的FBG 傳感器.使用一個PM-FBG 和熔融沉積3D 打印技術(shù)實現(xiàn)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(zhuǎn)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(diào)方程組.本研究有望對多參量的同時測量提供可靠的依據(jù),所設(shè)計的PMFBG 傳感器具有一定的商業(yè)價值.