光学仪器  2024, Vol. 46 Issue (6): 49-54   PDF    
基于FBG集成F-P干涉的温度–应变传感器研究
王志峰     
中国电能成套设备有限公司 水电与新能源事业部,北京 100080
摘要: 光纤温度–应变传感器因其突出性能已广泛应用于电力、建筑等领域的健康检测。提出了一种光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)结合法布里–珀罗(Fabry-Perot, F-P)结构的温度–应变集成传感器。F-P传感器通过熔融石英光纤制作而成。FBG可以测量温度和应变,而光纤F-P传感器只对应变敏感,通过解调2个传感器的波长,结合传输矩阵可以实现温度和应变的同时测量。实验结果表明,FBG的温度和应变灵敏度分别为8.4 pm/ ℃和0.62 μm/ε,F-P传感器的应变灵敏度为1.9 μm/ε,线性度优于99%。该传感器具有结构简单,成本低,制作简便等特点,具有广阔的应用前景。
关键词: 光纤传感器    光纤布拉格光栅    F-P干涉    温度    应变    
Research on temperature-strain sensor based on FBG integrated F-P cavity
WANG Zhifeng     
Hydropower and New Energy Division, China Electric Power Complete Equipment Co., Ltd., Beijing 100080, China
Abstract: Optical fiber temperature-strain sensors have been widely used in health detection in the fields such as electric power and buildings because of their outstanding performance. This paper proposes a temperature-strain integrated sensor with fiber Bragg grating (FBG) combined with Fabry-Perot (F-P) structure. The F-P sensor is made of fused silica optical fiber. FBG can measure temperature and strain, while the fiber optic FP sensor is only sensitive to strain. By demodulating the two sensor wavelengths, the simultaneous measurement of temperature and strain can be realized by using the transfer matrix. The experimental results showed that the temperature and strain sensitivities of the FBG were 8.4 pm/℃ and 0.62 pm/με, respectively, and the strain sensitivity of the F-P sensor was 1.9 μm/ε, with linearity better than 99%. The sensor has the characteristics of simple structure, low cost, easy fabrication, etc., and has broad application prospects.
Key words: fiber sensor    fiber Bragg grating    F-P interference    temperature    strain    
引 言

光纤传感器因其具有体积小,重量轻,精度高,抗电磁干扰和耐腐蚀性强等优点而被广泛应用于电力、建筑等领域的健康检测[1-3]。光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)传感器和非本征法布里–珀罗(Fabry-Perot, F-P)干涉仪传感器是最重要的传感器,已被用于许多传感领域,如电力工业、大型复合材料、医药和化学传感等[4-6]。多参数测量是光纤传感中的一个重要问题,不但需要考虑系统的复杂性、尺寸和成本,还需要对多参数的交叉传感进行解耦。已有文献报道了基于光纤光栅和法布里–珀罗干涉的多参数测量方法。研究人员[7-8]开发了一种基于F-P干涉和FBG的集成传感器,用于同时测量应变和温度。在该传感器中,F-P 传感器是通过将两根切割端的光纤插入具有适当内径的毛细管中构成的,法布里–珀罗腔长度为毛细管内两根切割光纤端面之间的间隙。在光纤中写入光纤光栅,利用环氧树脂或熔合物将光纤粘合到毛细管上。由于环氧树脂与光纤和管道之间固有的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion, CTE)的差异,环氧树脂粘结传感器通常对温度变化敏感,这使得其对温度和应变交叉不敏感。虽然将光纤熔接到毛细管可以减小CTE的差异,但制造过程比较复杂,因为将光纤插入毛细管的操作并不容易。文献[9-11]利用啁啾光纤布拉格光栅(chirped fiber Bragg grating, CFBG)/F-P和FBG/F-P分别实现对温度、应变识别和温度位移的同步测量。然而,使用参考光栅获得测量值,基于强度的解调方法会不可避免地受到环境扰动的影响。

本文提出了一种基于F-P干涉和FBG的新型集成传感器。在集成传感器中,使用氢氟酸(hydrofluoric acid, HFA)蚀刻和熔接制成的F-P干涉传感器对温度变化不敏感,因此该传感器使用FBG测量温度,使用F-P干涉结构测量应变。该传感器具有制作简单,成本低,全光纤的特点,是嵌入材料的理想传感器。该传感器可同时实现温度和应变的同步监测,解调采用光纤光栅的波长解码和F-P干涉的峰值跟踪,避免了因光强波动引起的误差。

1 传感原理

本文提出的FBG/F-P干涉集成传感器由FBG和经过HFA刻蚀和熔接制成的F-P干涉结构组成。光纤F-P干涉仪和FBG的工作原理如下所述。

1.1 光纤F-P干涉仪传感原理

图1所示为光纤F-P干涉原理示意图,从图中可以看出,当输入光经过光纤传输到达第一个光纤端面时,部分传输光被反射,透射的传输光经过空气腔传输到第二个光纤端面,部分光被端面反射。由于反射回来的光R1R2经过的路径不同,因此两束反射光之间存在光程差,相互叠加发生F-P干涉。光纤F-P干涉可以表示为[12]

图 1 光纤F-P干涉仪工作原理 Figure 1 Working principle of fiber optic F-P interferometer
I=I0(R1+R22R1R2cosϕ) (1)

式中:I0为入射光强;R1R2分别为两个光纤端面的反射率;ϕ为两个端面反射光的相位差。其中

ϕ=4πλn0d (2)

式中:n0为F-P腔的折射率;d为F-P干涉仪谐振腔腔长;λ为波长。当相位差ϕ=2mπm为整数)时,干涉光强有最大值;当ϕ=(2m+1)πm为整数)时,干涉光强有最小值。根据F-P干涉理论,干涉相位最强的中心波长λm可以表示为

λm=2n0dm (3)

F-P干涉仪的反射光谱中两个相邻谐振波峰之间的波长间距,即自由光谱范围(free spectrum range, FSR)Rfs,可以表示为

Rfs=λmλm1λ22n0d (4)

当轴向应变作用在F-P干涉仪上,传感器谐振腔腔长会发生变化,长度发生的变化Δd可以表示为

Δd=Δεd (5)

式中,Δε为轴向应变。由应变变化引起的F-P干涉仪谐振波长变化可以表示为

Δλ=2n0Δdm=2n0Δεdm (6)

根据式(6)可知,当应变作用在F-P干涉结构,谐振腔腔长发生变化,从而引起谐振波长发生漂移。因此,可以通过测量F-P干涉仪反射光谱谐振波长的变化来实现应变的测量。

1.2 FBG传感原理

图2所示为FBG的结构示意图。FBG是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件。通过前向传输与后向传输的两种纤芯模式之间发生耦合,前向传输的纤芯模式的能量可以传递给后向传输的纤芯模式,形成对入射波的反射,FBG的中心波长可以表示为[13]

图 2 FBG工作原理 Figure 2 Working principle of FBG
λFBG=2neffΛ (7)

式中:λFBG为FBG中心波长;neff是光纤纤芯的有效折射率;Λ是光栅周期。

当光纤光栅受外界环境如应变、温度等影响时,由于弹光效应和热光效应,光纤光栅的周期和纤芯折射率会发生变化,FBG的波长会产生与之相对的变化。

当FBG发生轴向应变变化时,FBG中心波长发生的变化为

ΔλBS=λFBG(1ρa)Δε (8)

式中,ρa是光纤的弹光系数。

当FBG发生温度变化时,FBG中心波长发生变化为

ΔλBT=λFBG(α+ξ)ΔT (9)

式中:α是光纤的热膨胀系数;ξ是光纤的热光系数。

根据式(7)和式(8)可知,FBG所受外应变作用或者环境温度发生变化时,其中心波长改变。因此,可以通过测量FBG中心波长的漂移,实现对温度、应变的测量。

1.3 集成传感器工作原理

集成传感器受到应变、温度作用时,FBG中心波长、F-P干涉的谐振波长会发生漂移,可以表示为[14]

ΔλF-P=KF-P,SΔS+KF-P,TΔTΔλFBG=KFBG,SΔS+KFBG,TΔT (10)

式中:ST分别表示应变、温度;ΔSΔT分别为应变变化和温度变化;ΔλF-PΔλFBG分别为由于应变和温度变化引起F-P干涉、FBG的波长漂移变化值;KF-P,SKF-P,T分别为F-P干涉的应变灵敏度、温度灵敏度;KFBG,SKFBG,T分别为FBG的应变灵敏度、温度灵敏度。

式(10)采用矩阵形式可以表示为

[ΔλF-PΔλFBG]=[KF-P,SKF-P,TKFBG,SKFBG,T][ΔSΔT] (11)

应变和温度的变化可以用矩阵表示为

[ΔSΔT]=[KF-P,SKF-P,TKFBG,SKFBG,T]1[ΔλF-PΔλFBG] (12)

因此,根据集成传感器FBG、F-P干涉的波长变化可以获得外界应变、温度的变化情况,实现应变、温度的同时测量。

2 集成传感器设计与制作

图3所示为集成传感器结构示意图,由刻写在单模光纤纤芯的FBG、空气腔式的F-P干涉结构组成。首先,采用紫外刻写法制作FBG,光栅长度为10 mm。其次,利用切割刀在光栅中间将光纤切断,将其中一端的光纤浸没在HFA溶液中,保持10 s后拿出。由于HFA溶液的腐蚀,光纤纤芯会产生部分凹陷。最后,采用标准的单模光纤熔接模式,将处理过的光纤和切断的光纤进行熔接。由于HFA腐蚀产生了凹陷,在熔接时纤芯部位会产生空气腔体,形成F-P干涉。集成传感器制作过程如图4所示。其中,图4中所示的实物图为制作完成的光纤传感器实物照片,从图中可以看到熔接产生的空气腔体。

图 3 集成传感器结构示意图 Figure 3 Schematic diagram of integrated sensor

图 4 集成传感器制作过程 Figure 4 Fabrication process of integrated sensor

制作完成的集成传感器的反射光谱如图5所示,其光谱为FBG和F-P干涉仪反射产生的复合光信号,强窄带峰为FBG信号,弱梳状峰为F-P信号。FBG的中心波长为1 543.794 nm,F-P干涉仪的自由光谱范围为14.4 nm,消光比约为7.9 dB。

图 5 集成传感器反射光谱 Figure 5 Reflective spectrum of integrated sensor
3 集成传感器性能测试

图6所示为集成传感器实验系统。光源采用宽带光源(broadband light source, BBS)(型号:KOHERAS, SuperK Uersa),通过光谱分析仪(optical spectrum analyzer, OSA)(型号:Yokogawa AQ6375)来测量由FBG和F-P干涉反射而产生的复合信号的反射光谱。光纤环形器(fiber optic circulator, FOC)1端口与光源连接,2端口与传感器连接,3端口与光谱分析仪连接。宽带光源输出光传输到集成传感器中,通过FBG和F-P反射将光传输至光谱分析仪。

图 6 集成传感器实验系统 Figure 6 Experiment system of integrated sensor
3.1 传感器应变实验分析

在应变测试实验中,将传感器探头两端固定在平移台(WN107TM25H,最小调整量为10 μm),通过改变平移台轴向间距来调节施加在传感器上的应变,用公式可以表示为[15]

ε=ΔLL (13)

式中:ΔL为平移台轴向改变的长度;L为平移台两个夹持装置初始间距。平移台夹持装置初始长度为10 cm,平移台轴向长度每次改变20 μm,对应施加应变每次改变200 με。当作用于传感结构的应变从 0 增加至1 400 με时,集成传感器的反射光谱变化如图7(a)所示。FBG受应变作用,波长向长波长发生漂移;F-P干涉腔受应变作用,干涉腔长发生变化,导致干涉光谱向长波长发生漂移。图7(b)所示为传感器波长与应变的线性拟合特性,其中FBG的响应波长依然在1 544 nm附近,而F-P的分析峰选择的是波长1 552 nm附近的波谷,FBG和F-P干涉仪的应变灵敏度分别为0.62 μm/ε和1.9 μm/ε,线性度分别为99.74%和99.76%。

图 7 集成传感器应变响应特性 Figure 7 Strain response characteristics of integrated sensors
3.2 传感器温度实验分析

在温度测试实验中,将传感器探头放置在高低温实验箱中,温度以10 ℃为间隔从0 ℃逐步上升至60 ℃,集成传感器的反射光谱变化如图8(a)所示。从图中可以看出,随着温度的升高,受热光效应影响,光纤纤芯折射率发生变化,引起FBG中心波长发生变化。F-P干涉仪光谱没有发生明显变化,由于光纤(二氧化硅)的热膨胀系数非常小,为10−7量级,温度的变化几乎不会影响F-P谐振波长的变化。图8(b)所示为FBG中心波长与温度的线性拟合特性,FBG中心波长从1 543.522 nm漂移到1 544.031 nm,灵敏度为8.48 pm/°C,线性度为99.93%。

图 8 集成传感器温度响应特性 Figure 8 Temperature response characteristics of integrated sensors

以上实验表明,F-P干涉仪对温度不敏感,其光谱漂移可以忽略不计。与FBG相比,它对应变具有更好的灵敏度。根据以上实验结果,结合FBG、F-P干涉仪的应变灵敏度、温度灵敏度,式(12)可以表示为

[ΔSΔT]=[1.900.628.48]1[ΔλF-PΔλFBG] (14)

因此,集成传感器可以实现应变和温度的同时测量,也可以解决光纤光栅应变和温度的交叉敏感问题。随着应变和温度的变化,FBG的中心波长和F-P干涉的峰值发生偏移,这可能导致FBG和F-P的交叉效应,特别是当FBG波长和峰值波长在同一光谱范围内时。由于FBG为窄带波峰,F-P腔的自由光谱范围重复出现,因此只需选择F-P的解算峰值波长远离FBG波峰,即可避免交叉效应。

4 结 论

研究了一种基于FBG和F-P的微型集成传感器,该传感器可实现应变和温度的同时测量,其中光纤光栅对温度和应变敏感,而F-P只对应变敏感,通过传输矩阵可以实现应变和温度的同时测量。解调分别采用光纤光栅波长解码和F-P峰值跟踪,避免了光强波动引起的误差。FBG的温度和应变灵敏度分别为8.48 pm/℃和0.62 μm/ε,F-P干涉仪的应变敏感度为1.9 μm/ε,线性度优于99%。集成传感器具有结构紧凑、制作简单、成本低廉等特点,具有重要的应用价值。

参考文献
[1] MIN R, LIU Z Y, PEREIRA L, et al. Optical fiber sensing for marine environment and marine structural health monitoring: a review[J]. Optics & Laser Technology, 2021, 140: 107082.
[2] ELSHERIF M, SALIH A E, MUÑOZ M G, et al. Optical fiber sensors: working principle, applications, and limitations[J]. Advanced Photonics Research, 2022, 3(11): 2100371. DOI:10.1002/adpr.202100371
[3] WANG J, WANG L, SU X Q, et al. Temperature, stress, refractive index and humidity multi parameter highly integrated optical fiber sensor[J]. Optics & Laser Technology, 2022, 152: 108086.
[4] LIANG J Q, YU Y, BIAN Q, et al. Metal-coated high-temperature strain optical fiber sensor based on cascaded air-bubble FPI-FBG structure[J]. Optics Express, 2023, 31(10): 16795–16811. DOI:10.1364/OE.489420
[5] YANG S T, WANG H Y, MENG L Z, et al. Dual-FBG and F-P cavity compound optical fiber sensor for simultaneous measurement of bending, temperature and strain[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023, 41(5): 1582–1588. DOI:10.1109/JLT.2022.3224756
[6] HE X, RAN Z L, XIAO Y Q, et al. Three-dimensional force sensors based on all-fiber Fabry–Perot strain sensors[J]. Optics Communications, 2021, 490: 126694. DOI:10.1016/j.optcom.2020.126694
[7] LIU T, FERNANDO G F, ZHANG L, et al. Simultaneous strain and temperature measurement using an integrated fiber Bragg grating/extrinsic Fabry-Perot sensor[C]//Proceedings of SPIE 3330, Smart Structures and Materials 1998: Sensory Phenomena and Measurement Instrumentation for Smart Structures and Materials. San Diego, CA, United States: SPIE, 1998: 324 − 331.
[8] RAO Y J, YUAN S F, ZENG X K, et al. Simultaneous strain and temperature measurement of advanced 3-D braided composite materials using an improved EFPI/FBG system[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2002, 38(6): 557–566. DOI:10.1016/S0143-8166(02)00014-3
[9] RAO Y J, ZENG X K, ZHU Y, et al. Temperature-strain discrimination sensor using a WDM Chirped in-Fibre Bragg grating and an extrinsic Fabry-Pérot[J]. Chinese Physics Letters, 2001, 18(5): 643–645. DOI:10.1088/0256-307X/18/5/307
[10] FERREIRA L A, LOBO RIBEIRO A B, SANTOS J L, et al. Simultaneous measurement of displacement and temperature using a low finesse cavity and a fiber Bragg grating[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 1996, 8(11): 1519–1521. DOI:10.1109/68.541569
[11] FERREIRA L A, RIBEIRO A B L, SANTOS J L, et al. Simultaneous displacement and temperature sensing using a white light interrogated low finesse cavity in line with a fiber Bragg grating[J]. Smart Materials and Structures, 1998, 7(2): 189–198. DOI:10.1088/0964-1726/7/2/006
[12] 王帅, 吴越, 宋言明, 等. 基于法布里-珀罗干涉的光纤倾角传感技术研究[J]. 激光与红外, 2021, 51(11): 1492–1497. DOI:10.3969/j.issn.1001-5078.2021.11.015
[13] WU Y, MENG F Y, LI H, et al. Simultaneous measurement of micro-displacement and temperature based on balloon-like interferometer and fiber Bragg grating[J]. Optik, 2019, 183: 875–880. DOI:10.1016/j.ijleo.2019.03.009
[14] LI J L, ZHANG W G, GAO S C, et al. Long-period fiber grating cascaded to an S fiber taper for simultaneous measurement of temperature and refractive index[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(9): 888–891. DOI:10.1109/LPT.2013.2255035
[15] GEBRU H A, PADHY B B. Fiber Bragg grating temperature sensor for defence and industrial applications[J]. AIP Conference Proceedings, 2011, 1391(1): 434–436.