引言

光纤光栅是一种非常重要的光纤无源器件, 它具有径细质轻、电绝缘性好、抗腐蚀和抗电磁干扰性强等优点, 易实现分布式监测, 适合在复杂恶劣的环境下工作, 通过对传感器结构设计和封装工艺选择可实现对压力、温度、流量、加速度等物理量的测量, 已广泛地应用于能源化工、航空航天、大型土木工程等领域。对于压力的测量是近十年来光纤光栅传感技术发展的热点之一, 1993年Xu等首次采用裸光纤光栅进行压力传感特性研究, 发现在70 MPa高压下, 其压力灵敏度系数仅为-1.98×10^-6 MPa^-1[1]。二十多年来光纤光栅压力传感器的研究和发展非常迅速, 国内外学者先后提出了多种设计方案^[2-5], 开展了大量理论和实验研究^[6-11], 涉及的应用领域非常广泛。本文从光纤光栅纵向应变压力传感器和光纤光栅横向应变压力传感器两个方面分别阐述目前国内外此类传感器的主要研究进展, 并对其前景进行展望。

1 光纤光栅纵向应变压力传感器

光纤光栅纵向应变压力传感器主要是基于光纤Bragg光栅 (FBG) 轴向应变特性进行设计的, 它们是目前报道最多、最常见的一类光纤光栅压力传感器。根据光纤光栅安装的方式不同可分为三种类型光纤光栅压力传感器:嵌入式、粘贴式和悬空式。本文对这三类光纤光栅压力传感器进行全面阐述, 介绍它们的原理、结构特点和不足。

1.1 嵌入式光纤光栅压力传感器

嵌入式光纤光栅压力传感器通常是采用聚合物材料对光纤光栅进行封装。目前报道最多的嵌入式结构, 主要是通过选取弹性模量小、热膨胀系数低的聚合物材料, 利用罐式或管式外壳将聚合物做成圆柱体结构, 同时将光纤光栅横向或纵向嵌入在圆柱体聚合物内。采用嵌入式结构不仅能够大幅度地提高传感器的灵敏度, 而且可以降低光纤光栅的损耗, 保护传感器以便提高其环境适应能力和寿命。

王晓洁等报道了一种聚合物和金属材料封装增敏的光纤光栅压力传感器^[12], 如图 1所示。该传感器由金属外壳、FBG和聚合物组成。通过改变聚合物的几何结构实现了高倍数压力增敏效果, 实验结果表明该传感器压力灵敏度系数达到2.39×10^-2 MPa^-1, 为裸FBG压力灵敏度的12 071倍, 增敏效果非常明显。然而, 嵌入式光纤光栅压力传感器也存在着一些问题, 例如高分子材料在凝固时的收缩会破坏光纤光栅原有的光学特性和材料的稳定性, 而且材料与传感器壳体的粘结都会影响到传感器压力的线性传递。另外还要考虑高分子材料的防水性、重复性以及温度的交叉敏感等问题。通过选取性能更好的封装材料和提高封装工艺可以有效地解决上述问题, 例如, 文庆珍等采用多层封装结构^[13], 实验结果显示该结构的增敏效果优于单层封装结构。

1.2 粘贴式光纤光栅压力传感器

粘贴式光纤光栅压力传感器是将光纤光栅粘贴在机械装置上, 利用机械装置的形变带动光纤光栅沿轴向拉伸, 从而引起反射波长漂移。常用的机械装置包括膜片^[14]、薄壁圆筒^[15]和等强度梁^[16]等。

Allwood等报道了一种膜片式光纤光栅压力传感器^[17], 如图 2所示, 将光纤光栅沿径向粘贴在圆形膜片的中心处, 当柱型腔内气压升高时, 膜片发生形变, 带动光纤光栅在其轴向拉伸, 使光纤Bragg光栅的中心反射波长发生偏移。该方法简单易行, 而且其结构能够有效地避免温度与压力交叉敏感问题。然而, 膜片式结构难以兼顾测量精度与量程, 另外膜片受力不均匀和粘贴问题也会导致光栅不均匀, 引起光栅的啁啾化, 影响压力的线性传递。为了解决此问题, 邵军等设计了基于E型圆膜片光纤光栅压力传感器^[18], 此传感器是在膜片上增加了一个硬质中心结构, 它可有效地避免大挠度效应带来的非线性和精度降低等问题。

陈富云等设计了一种等强度悬臂梁和双膜片相结合的光纤光栅土压力传感器^[16], 如图 3所示。外压力经过两次膜片传递, 通过传压杆作用在等强度悬臂梁的自由端, 悬臂梁的挠度变化反映膜片受到的压力, 测量粘贴于等强度悬臂梁表面中心轴线上的光纤Bragg光栅的波长移位可实现压力传感。该传感器的灵敏度达到412.7 pm/MPa。

另外还有其他结构的粘贴式光纤光栅压力传感器, 例如谭波研制的基于L型梁的光纤光栅压力传感器, 该传感器用于测量管路中的液体压力, 在0~6 MPa范围内的压力灵敏度系数达到4.97×10^-4 MPa^-1[19]。宋广东等设计的基于薄壁圆筒结构的光纤光栅压力传感器主要用于瓦斯气压的监控^[20]。

1.3 悬空式光纤光栅压力传感器

悬空式光纤光栅压力传感器通过将光纤光栅悬空固定在机械装置上, 利用机械装置的形变使光纤光栅在轴向拉伸。相关的机械装置包括膜片^[21]、拉杆^[22]、波纹管^[23]、弹簧管^[24]、变边三角形^[25]和菱形结构^[26]等。

目前基于膜片结构的悬空式光纤光栅压力传感器主要有两种:第一种是膜片带有硬心结构, 光纤光栅垂直安装在膜片的中轴线上, 通过膜片中心挠度变化使光纤光栅发生轴向拉伸^{[21, 27-28]}, Huang等报道的光纤光栅压力传感器^[21], 如图 4(a)所示, 光纤光栅垂直膜片且尾纤端通过连接装置固定在圆膜片中心处, 它与冉新涛等设计带有硬中心结构的光纤光栅压力传感器类似^[27]; 第二种是在膜片上沿径向安装两个光栅固定柱, 然后将光纤光栅悬空固定在光栅固定柱上, 图 4(b)所示为赵咏梅等设计的一种薄板挠曲型温度自补偿的土压力传感器^[29], 该传感器采用膜片和光栅固定柱组合固定光纤的方式有效地解决了应力不均问题, 这与张文涛等设计的采用特殊的膜片结构和凸台固定光纤的方式相似^[30]。

Pachava等^[31]设计的基于金属波纹管结构的光纤光栅压力传感器如图 5所示, 在外压力作用下, 金属波纹管沿纵向扩展, 导致光纤光栅沿轴向方向拉伸, 由于光纤光栅弹性形变和弹光效应使FBG中心反射波长发生偏移, 通过测量波长偏移量就可以获得压力的变化情况。该传感器压力灵敏度达到13.14 nm/MPa, 且具有良好的线性度和可重复性。另外, 蒋善超等设计的微型高精度光纤布拉格光栅土压力传感器^[25], 采用了变边三角形和膜片相结合的结构, 杨晶等设计了一种波纹管和菱形结构相结合的光纤光栅压力传感器^[32]。

虽然悬空式光纤光栅压力传感器不用考虑光纤光栅的粘贴和应力不均等问题, 但是悬空式结构导致光纤光栅暴露在外面, 容易造成光纤光栅的损耗, 影响传感器的传感效率和使用寿命, 而且机械结构老化会影响压力的线性传递, 同时在传感器的结构设计中还要考虑温度的交叉敏感等问题。

2 光纤光栅横向应变压力传感器

目前大多数光纤光栅压力传感器都是基于光纤光栅的轴向应变特性。当测量空间有限时, 利用光纤光栅进行横向压力检测能够简化传感系统, 有助于实现微型化、分布式、多功能、多参量的全光纤传感网络系统的构建。

早期人们直接对裸FBG进行横向压力测量, 发现其灵敏度非常低。Ngoi等通过选取弹性模量较小的聚合物封装来提高横向压力传感器的灵敏度^[33], 封装后的传感器横向压力灵敏度是裸光栅的7倍, 增敏效果有限。何伟等利用长周期光纤光栅双折射效应, 通过测得谐振峰分化后双峰间距来实现横向压力的传感^[34], 该方案在小压力条件下, 仪器很难准确测量其光谱变化, 而且压力响应曲线的线性度不高, 限制了其应用。另外周兆帅等提出了基于长周期光纤光栅和错位熔接结构的横向压力传感器^[35]。但是这些报道对横向压力灵敏度的提升效果均有限。

近年来, 一些学者提出利用光纤光栅的偏振特性来实现横向压力的测量。汪弋平等提出利用光纤光栅透射端偏振相关损耗 (PDL) 来实现横向压力的测量^[36], 如图 6所示, 对于不同的压力采取不同方法进行解调, 在小压力 (0~80 N) 情况下通过测算光栅透射端偏振相关损耗f_PDL随波长变化曲线的质心高度, 在较大压力 (81~180 N) 作用下通过测量PDL曲线两峰之间的波长间距来分别实现横向压力的解调。该方法有效地解决了小压力情况下横向压力难以检测的问题。王启宇等研究了光纤光栅反射端偏振相关损耗 (RPDL)^[37], 经过数值模拟表明RPDL对横向压力非常敏感, 实验结果显示RPDL峰高变化和峰位变化曲线在一定范围内均呈很好的线性关系, 而且RPDL左峰位置对压力变化非常灵敏, 为实现精确的横向压力解调提供了可能。

随着光纤光栅制作技术的进步, 各种各样的特种光纤光栅不断出现, 为横向应变压力测量提供了良好的研究基础。图 7所示为孙婷婷等设计的基于倾斜光纤光栅 (TFBG) 和弹性材料的横向压力传感器^[38]。该种类型传感器由TFBG、两层弹性材料和两层金属片构成夹层结构。当施加横向压力时:一方面, 弹性材料逐渐包裹TFBG, 由于TFBG包层模谐振与外界环境折射率有关, 光谱会发生变化; 另一方面, 应力通过弹性材料传递到光纤, 光纤的弹光效应使纤芯的折射率不均匀, 引起光栅中不同模式之间的耦合, 对光谱同样也会有影响。利用光谱仪对TFBG的反射谱进行测量, 采用快速傅里叶变换可以实现对较低横向压力 (0~7 N) 的解调。

近年来还有一些利用相移光纤光栅^[39]、保偏光纤光栅^[40]、啁啾光纤光栅^[41]进行横向应变压力实验的研究报道, 为实现光纤光栅横向应变压力测量提供了诸多可行方案。

随着光纤光栅横向应变压力传感器研究的进展, 该项技术逐渐在一些领域开始尝试实际应用。刘宏月等利用长周期光纤光栅横向负载特性实现了混凝土结构钢筋锈蚀的监测^[42]; Sulejmani等在复合材料中植入高双折射光纤和光纤Bragg光栅来增强材料的横向应变测量^[43]。然而, 由于技术瓶颈、仪器设备等诸多因素的限制, 横向应变压力测量方案大多停留在实验阶段, 距离实际应用还有很长的路要走。实际上, 光纤光栅横向应变压力传感器比光纤光栅纵向应变压力传感器更具研究潜力, 如果能够提出新的解调方法, 优化算法, 降低成本, 同时提高测量精度和稳定性, 相信未来的应用前景会更好。

3 结语

光纤光栅纵向应变压力传感器的设计最为灵活, 种类多且各具特色。根据光纤光栅的安装方式可将传感器分为嵌入式、粘贴式和悬空式。其中:嵌入式结构对传感器灵敏度的提升最为明显, 但是由于封装材料和封装工艺的因素, 在实际环境下要考虑材料的粘接、防水性以及温度交叉敏感等问题; 粘贴式结构最为简单, 但是胶粘剂的选择要契合传感器的实际需求, 另外也要考虑机械结构老化引起的线性度变差等问题; 悬空式结构虽然不像粘贴式结构要考虑光纤光栅的粘接和应力不均等问题, 但是由于光纤光栅悬空安装, 缺乏保护措施, 很容易造成光纤光栅的损耗, 影响传感器的稳定性和实用性。目前, 光纤光栅纵向应变压力传感器的研究较多, 且不断深入, 未来结合MEMS技术, 使之微型化、数字化、智能化、系统化、网络化是其发展趋势, 另一方面, 它在能源勘测、土木工程、周界安防、智能材料等领域的应用将会进一步扩展。当前光纤光栅横向应变压力传感器研究尚处于实验阶段, 还有待通过深入研究使其实用化。