2016, Vol. 38
Issue (6): 544-548
光纤光栅(FBG)传感器是一种新型传感元件, 凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、熔接损耗小、灵敏度高、体积小(直径80~125 μm)、易于分布式测量等优越的特性, 快速发展为最具前途的传感元器件之一, 并在航空航天、汽车、土木工程等领域取得了广泛的应用。美国航空航天局在航天飞机上安装FBG传感器, 构成传感网络, 对航天飞机结构的应变和温度进行实时监测[1]。加拿大Beddington Trail大桥是最早使用传感器进行应变测量的桥梁之一, 该桥梁采用18个FBG传感器用于监测桥梁内部的应变, 实现了对桥梁结构健康状况的长期、实时监测[2]。Murukeshan和Kalamkarov分别应用FBG传感器在复合材料板的热压釜成型工艺和拉挤工艺中实现了固化过程材料内部应变变化过程的监测[3]。Degrieck等[4]将FBG传感器应用到复合材料缠绕成型的压力容器中, 对容器进行了固化过程的实时监测, 分析了容器内部残留的残余应力。
由于光纤光栅传感器的交叉敏感问题, 即光栅的波长对温度与应变同时敏感, 目前在测量光栅的耦合波长移动时根本无法对应变和温度两者加以区分。所以, 处理好交叉敏感问题带来的影响, 是实现光纤光栅传感器实用化的先决条件。
自光纤光栅问世以来, 国内外便针对光纤光栅温度补偿原理开展了大量的研究工作, 一般可以分为测量过程中的温度补偿和测量后的结果补偿。总体来讲, 采用测量过程中的温度补偿技术的FBG传感器制造工艺更加复杂。测量后的结果补偿则是指在测量后采用某种运算对测量结果进行处理, 将温度效应剥离, 相对简单, 易于推广。比如参考光栅法, 即在FBG传感器所在温度场附近设置一个光栅温度传感器, 然后通过测量结果的计算将温度效应去除[5]。考虑到目前毛细钢管封装的光纤光栅传感器体型仍然较大, 无法满足一些对传感器体型和兼容性要求较高的场合, 本文针对FBG传感器的传感特点, 研究了体积小、兼容性好、可埋入的毛细钢管封装工艺, 并通过拉伸试验和水浴试验对其应变与温度传感特性进行研究。
1 光纤光栅的应变与温度测量原理将一束光射入布拉格光栅时, 波长满足布拉格反射条件的入射光会发生反射。发生的反射是一种窄带反射, 这种反射谱在布拉格波长处出现峰值, 相当于一个以共振波为中心的窄带滤波器。光纤光栅中心波长λ可以表示为
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式中:λB为布拉格波长; neff为光纤中的有效折射率; Λ为光栅的周期。温度和应变都能使得波长产生一定的漂移量, 由应变和温度引起的波长漂移可表示为
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式中:Pe为光纤材料的弹光系数; αf为光纤的热膨胀系数; ξ为光纤材料的热光系数; Δε为光栅的轴向所承受的应变量; ΔT为温度的变化量。
在实际的工程应用中, 通常是先分别测出FBG传感器的应变灵敏系数和温度灵敏系数, 在测量得到的整体波长漂移中去除温度引起的部分, 进而得到FBG应变的变化, 处理过程遵循的公式为
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(3) |
式中Kε和KT分别是光纤光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数, 都可以通过实验测得。由于光纤光栅传感器对温度和应变都敏感, 所以使用光纤光栅测量应变时需要对其进行解耦, 即去除环境中的温度波动对FBG测量所产生的影响。一般可以采取设置温度测量光栅、双光栅叠加、参考光栅法、采用啁啾光栅等方法, 作为温度补偿措施。本实验基于参考光栅法对FBG进行封装, 制作只对温度敏感的温度传感器, 与不做处理的FBG形成参照, 将温度的影响剔除从而实现温度补偿。
2 光纤光栅传感器封装工艺针对光纤光栅传感器埋入复合材料的特点, 设计了单头式和双头式两种封装形式。封装时为了最大限度地发挥FBG传感器体积小的优势, 提高其埋入复合材料后的相容性, 选用外径为0.8 mm、内径为0.58 mm、长度为40 mm的薄壁不锈钢管作为封装的套管。光纤光栅的管式封装工艺如图 1所示, 将光纤光栅用环氧树脂胶封装在钢管中。所用的封装材料环氧树脂胶化学性能稳定, 而且耐高温, 用来密封金属管口可以提高封装FBG传感器的抗腐蚀能力, 而且保证了复合材料固化过程所在的高温环境下的稳定监测。对于单头式封装, 封装前将FBG、毛细钢管先用无水酒精擦拭后晾干备用, 把环氧树脂胶AB两组分按比例混合并调和均匀。再将光栅的尾端光纤剪断后将光栅伸入毛细钢管中, 端口处用备好的环氧树脂胶将光纤固定, 另一端的端口也用环氧树脂胶填充。需要注意的是, 被封装在毛细钢管中的光纤光栅一端始终是自由状态, 保证了光栅始终处于自然松弛的状态, 避免外界应力对其产生影响, 如图 1(a)所示。双头式封装如图 1(b)所示。用环氧树脂胶将光栅在毛细钢管两端口进行密封, 保持其处于毛细钢管的中心位置。同时封装FBG时对光纤部分施加一定的预紧力, 可以防止胶固化不均匀而引起的光栅啁啾现象, 最后等待两种不同封装的FBG固化完全。
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图 1 光纤光栅毛细钢管封装示意图 Figure 1 Schematic of fiber grating packaged in steel capillary |
已经封装并且固化完全的FBG传感器投入使用时, 如果封装不良, FBG可能会受到轴向应力的影响, 因此需要对封装好的FBG传感器进行拉伸试验以检验封装的可靠性。通过悬挂砝码法来研究毛细钢管封装的光纤光栅的应变传感特性。将采用两种不同封装方法的两根光栅(中心波长为1 285 nm)自由地悬挂起来, 一端通过跳线连接在解调仪上, 毛细钢管另一端则连接一个托盘。对于单头式封装FBG, 托盘夹持在毛细钢管没有光纤出头的钢管末端; 对于双头式封装FBG, 托盘夹持在没有连接跳线的光纤另一端上。空托盘和夹头的重量为17 g, 不断地向托盘上添加砝码, 每次向托盘添加重量为10 g的砝码, 直至添加到砝码重量为80 g, 多次读取解调软件上的相应波长变化, 取其平均值, 得到波长变化曲线。
得到数据曲线如图 2所示。从图中可以看出, 两种不同封装形式的FBG温度传感器在室内环境温度基本保持不变的情况下, 通过不断添加砝码人为施加一定外部应力, 光栅的波长变化有明显的差别。单头封装的两个传感器光栅中心波长在±3 pm以内变化, 并未观测到明显的漂移, 表明单头封装的光纤光栅传感器在一定范围内均对应变不敏感, 也预示着FBG封装性能良好, 可靠性高。
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图 2 光纤光栅毛细钢管悬挂质量-波长漂移关系 Figure 2 The relationship between the suspended mass and the wavelength shift of the fiber grating |
而双头封装的两个传感器波长变化相对较大, 最大偏移达到了26 pm, 表明双头封装的两个传感器在轴向拉伸作用下对中心波长有一定的影响, 说明FBG封装效果相对较差。同时相同封装形式的两根光纤光栅传感器几乎表现出了一致的波长漂移幅值, 说明两种封装形式不但工艺简单, 而且重复性高。两种封装形式的光纤光栅传感器在拉伸试验中表现出来的差异是由于二者封装形式上的区别造成的, 单头封装在毛细钢管中的光纤光栅一端始终是自由状态, 保证了光栅始终处于自然松弛的状态, 从而避免了外界应力对光栅产生干扰。即使光纤和毛细钢管在胶粘处有微小的弹性形变, 光纤光栅传感器在使用过程中如果受到外力的作用时, 也只会将应力转移到光纤和毛细钢管上, 不会对处于保护状态下的光纤尾端的光栅产生影响, 因此封装效果非常理想。双头封装则不同, 尽管环氧树脂AB胶在毛细钢管的两端口将光纤和毛细钢管粘接成一体, 当光栅的两端受拉时, 环氧树脂胶难免会在轴向产生微小的形变, 因而会对光栅的波长产生一定的影响。
3.2 毛细钢管封装光纤光栅的温度传感特性为了保证封装的光纤光栅能够均匀地感应温度变化, 采用水浴法对封装好的光纤光栅传感器进行温度标定, 即将两根单头封装的FBG1和FBG2(中心波长为1 285 nm)和两根双头封装的FBG3和FBG4(中心波长为1 315 nm)置于盛满沸水的大烧杯中部, 避免光栅接触到烧杯内壁。在紧靠光纤光栅的水中放置一支高精度水银温度计。同时为了更好地调节与保持温度, 采用降温的方式测量光纤光栅的温度传感特性, 随着烧杯中沸水的温度从80 ℃缓慢下降到到40 ℃, 每下降2 ℃为一个单位, 在降低到预定温度时迅速记录四根光纤光栅相应的中心波长数据, 取多次采集的数据的平均值, 得到封装光纤光栅波长与温度的关系曲线。
光纤光栅传感器的温度灵敏度系数KT计算公式为
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(4) |
对于一般的石英硅光栅, FBG传感器的热膨胀系数α和热光系数ξ分别为0.55×10-6 ℃-1和6.3×10-6 ℃-1。已经实际测得FBG1、FBG2、FBG3和FBG4的初始波长分别为1 285.414, 1 285.483, 1 315.478, 1 315.995 nm, 可以算出四个相应的理论温度灵敏度系数, 如表 1所示。图 3为封装光纤光栅波长与温度的关系。
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表 1 光纤光栅温度灵敏度系数对比 Table 1 Comparison of temperature parameter of the fiber Bragg grating sensor |
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图 3 封装光纤光栅波长与温度的关系 Figure 3 Relationship between wavelength and temperature of the packaged FBG |
图 3(a)为单头封装的光纤光栅FBG1在降温过程中的温度-波长特性曲线, 线性相关系数分别为0.999 89, 其波长与温度的线性拟合方程为y=0.008 56x+1 285.167 49。图 3(b)为单头封装的光纤光栅FBG2在降温过程中的温度-波长特性曲线, 线性相关系数为0.999 78, 其波长与温度的线性拟合方程为y=0.008 49x+1 285.237 4。单头式保护型封装FBG1和FBG2温度传感器的温度灵敏度系数分别为8.56 pm/℃和8.49 pm/℃, 与裸光栅温度灵敏度系数8.805 pm/℃相比, 偏差分别为2.78%和3.58%, 同时封装的光纤光栅传感器良好的线性拟合度保证了在实际工程应用中对温度测量的准确性。单头式保护封装工艺非常简单, 成本较低。
图 3(c)和3(d)为双头封装的光纤光栅FBG3和FBG4在降温过程中的温度-波长特性曲线, 可以看出温度和波长依然保持相当高的线性相关度, FBG3的线性相关系数为0.999 89, FBG4的线性相关系数有所下降, 但仍然达到0.997 73。二者的波长与温度的线性拟合方程分别为y=0.008 5x+1 315.243 3和y=0.008 49x+1 315.836 88。双头式保护型封装FBG温度传感器的温度灵敏度系数分别为8.50 pm/℃和8.47 pm/℃, 与裸光栅理论温度灵敏度系数的偏差分别为5.67%和6.05%。
4 结论本文基于光栅温度补偿问题提出了两种适用于埋入复合材料的光纤光栅温度传感器封装方法, 通过拉伸试验检验了封装的效果, 并采用水浴法分析了毛细钢管封装后的光纤光栅的温度特性。结果表明, 提出的单头式封装方式无论是封装效果还是温度灵敏度特性都较双头式封装更好。两种封装后的光纤光栅依然保持着非常好的波长与温度线性关系, 线性拟合度均达到0.997以上, 并且均得到很好的重复性, 封装工艺简单, 成本低廉。同时经该封装方法制作出来的光纤光栅传感器尺寸很小, 最大限度地发挥了光纤光栅传感器体积小的优势, 适用于一些对传感器尺寸和兼容性要求较高的场合, 拥有极为广阔的应用前景。
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