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发表时间:2021-08-05     阅读次数:81     字体:【

CO2激光刻写长周期光纤光栅与光纤MZ结构的双参数传感特性

为了实现温度与应变的双参数高精度传感测量,提出了一种CO2激光刻写长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,LPFG)与光纤马赫-增德尔(MZ)干涉型结构的光纤传感器,利用CO2激光刻写制作LPFG并利用错位熔接法制备光纤MZ结构,将二者级联并实时监测温度及应变变化时的透射谱变化,研究了其传感原理并验证了其温度及应变传感特性。实验结果表明:该双参数光纤传感器的LPFG仅对温度敏感,MZ干涉结构对温度和应变都敏感;在温度范围35~70℃时,LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度39.17 pm/℃;MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度为37.50 pm/℃;当应变范围0~450με时,MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/με,卸载灵敏度为4.24 pm/με。为温度和应变的实时测量提供了一种灵敏度高、线性度好的光纤传感器。

0 引 言

光纤传感器体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干扰能力强、易于嵌入材料内部[1-5],能实现对温度、应变、压力、声振动、角速度、加速度等多种参量的测量[6-9]。与传统的机电或电子传感器相比,光纤传感器更符合现代传感技术的需求,具有重要的学术价值和应用前景[10-11]

近年来,光纤化双参数传感器相关研究广受青睐。2012年,童峥嵘等提出一种多模-单模-多模结构与光纤布拉格光栅级联测量温度与应变的光纤传感器,其温度灵敏度分别为 0.091、0.010 2 nm/°C,应变灵敏度为-0.001 3、0.001 2 nm/με[12]。 2014 年,Jianying Yuan等人利用长周期光纤光栅与Sagnac干涉环串联,实现了温度及折射率的同时测量,折射率灵敏度为16.864 nm/RIU,温度灵敏度为1.533 nm/℃[13]。2016年,Tong Zhengrong等将单模光纤锥化后与多模光纤级联,实现了温度和液位检测,温度灵敏度为 0.0202、0.031 02 nm/°C,液位灵敏度为 0.022 02、0.070 2 nm/mm[14]。 2016 年,Wu Shengnan等人将FBG连接侧面开口的光纤珐泊腔应用于气体压力和温度的测量,气体压力灵敏度分别为4.063 pm/kPa和4.071 pm/kPa,温度交叉敏感度为 214 Pa/℃和 204 Pa/℃[15]。2017年,苏耿华等设计了一种基于级联保偏光纤和长周期光纤光栅的Sagnac环温度和环境折射率双参量传感器,其温度灵敏度1.2 nm/℃,环境折射率灵敏度为15 nm/RIU[16]

与上述文献不同,文中以Corning SM-28普通光纤为制备基材,采用CO2激光刻写长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,LPFG),采用错位熔接法制备光纤马赫-增德尔(MZ)干涉型结构,利用两种光纤结构的不同滤波特性,实现温度与应变的传感测量。通过控制MZ干涉结构的干涉波谷位置,与LPFG级联后实现了级联结构透射谱特定波长的应变不灵敏,增强了双参数灵敏矩阵的实际可解性。分别搭建温度和应变测试系统,对该传感器的双参数测量进行数据分析与误差处理。

1 光纤传感器工作原理

设外界温度为T,低耦合强度的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏性可表示为:式中:λL为干涉条纹波长;Δm为光纤差分有效群折Δn=n-

射率;effco为光纤纤芯与包层的有效折射率之差;αT为光纤的热膨胀系数。

设LPFG包层折射率为n2,当外界环境折射率从n3变为 n′3时,LPFG谐振波长的漂移量可表示为:式中:r2为包层半径;U为0阶第一类贝塞尔函数J0的m阶根。

设外界温度T和应变ε发生变化时,光纤LPFG和光纤MZ结构的透射谱波长变化与温度变化ΔT、浓度变化Δε存在如下相关关系:式中:KT1、Kε2分别为LPFG的温度灵敏系数、应变灵敏系数;KT2、Kε2分别为光纤MZ结构的温度灵敏系数、应变灵敏系数。

由公式(5)可知,若已知该光纤传感器对温度与应变变化的灵敏度,即可通过光谱仪监测透射谱波长变化,代入公式(5)计算求解。在实际求解计算中,两组光纤结构的灵敏度系数差异越大,温度与应变的无串扰监测与传感越可靠。

2 光纤传感器的制备

实验采用Corning公司SMF-28单模光纤,将光纤去除涂覆层,用酒精清洁,风干,夹至光纤夹具上。将CO2激光功率设为1 mW,加工速度10 m/s,光栅周期550μm。采用错位熔接法制备光纤MZ结构,纤芯内的传播光有一部分透射到包层,经包层传播后再次进入下一段光纤的纤芯,于是,“纤芯-包层-纤芯”传播的光与“纤芯-纤芯-纤芯”传播的光产生干涉。文中提出的级联结构测量系统如图1所示,由C+L波段宽带光源、环行器、LPFG、MZ结构、光谱仪(Optical Spectrum Analyzer,OSA)组成。采用的光谱分析仪(Yokogawa AQ6375)工作波长范围1 200~2 400 nm,最小分辨力为0.02 nm。其中,LPFG、MZ结构、级联后的双参数光纤传感器的透射谱如图2所示。



由于LPFG与MZ干涉结构的不同透射滤波特性,该级联光纤传感器光谱范围内出现如图2(c)所示的敏感特征波长,记为dip A和dip B,且位置分别在1 555.1 nm和1 557.4 nm。后续实验中选取这两处特征波谷作为检测点,对两处波长漂移进行解调,验证该级联光栅结构的双参数传感特性。

3 双参数传感特性

3.1 温度传感特性

将LPFG级联MZ干涉结构的双参数光纤传感器固定在温度控制台上,使用精密温控单元进行加热和降温,待测温度范围为35~70℃,步长为5℃,待温度稳定后记录光谱仪中光谱数据,检测传感器的波长偏移量。

升温过程双参数光纤传感器透射光谱如图3所示,其中,图 3(a)为 1 540~1 580 nm 光谱范围内透射光谱随温度变化图,图3(b)、(c)分别为LPFG、MZ干涉结构的温度变化细节图。结合实验数据可知,在35℃温度变化范围内,LPFG特征波长由1 555.55 nm变至1 556.9 nm,MZ干涉结构特征波长由1 571.3 nm变至1 572.65 nm。由图3可知,该双光栅级联结构的两个特征波谷随温度升高均有漂移,且变化趋势相同,均发生红移。

相似地,降温过程双参数光纤传感器透射光谱如图4所示,级联结构透射谱、LPFG细节图、MZ干涉结构细节图分别如图4(a)~(c)所示。结合实验数据可知,在35℃温度变化范围内,LPFG波长由1 556.9 nm变至1 555.55 nm,MZ干涉结构波长由1 572.65 nm变至1 571.3 nm。由图4可知,该双光栅级联结构的两个特征波谷随温度降低均有漂移,且变化趋势相同,均发生蓝移。



以温度变化为横轴,以波谷位置为纵轴,绘制如图5、6所示的升温、降温过程温度响应特性曲线。由实验结果可知,当温度由35℃升至70℃时,LPFG特征波长线性增加,灵敏度38.57 pm/℃,线性度0.999 6;MZ干涉结构特征波长线性增加,灵敏度38.57 pm/℃,线性度 0.996 4。当温度由 70℃降至35℃时,LPFG特征波长波长线性减小,灵敏度39.17 pm/℃,线性度0.998 9;MZ干涉结构特征波长线性减小,灵敏度为37.50 pm/℃,线性度0.991 7。


3.2 应变传感特性

以厚度2 mm、中心线长280 mm的航铝7075等强度梁为测试基体,将文中双参数光纤传感器的LPFG与MZ干涉结构对称粘贴于等强度梁中心线两侧。粘贴前对LPFG与MZ干涉结构进行一定预紧,用低温胶将其固定,并于室温下固化24 h,为保证实验环境的洁净度与温湿度,文中实验均在恒温25℃的超净间环境内完成。实验中,为避免固化过程中光纤回缩导致应变测量值不准,采用相对应变值,即先旋转微分头至光谱图中LPFG和MZ结构透射谱线均移动开始记为初始值,拧动微分头对光纤传感器施加应变,用光谱仪采集数据。加载或卸载过程中对应的应变范围为0~450με,步长 50με,加载及卸载过程波长变化



由图7、8及其细节图可以看出,当应变变化时,该光纤传感器的LPFG结构特征波长不随之漂移,只表现为功率的微小波动;MZ干涉结构的特征波长随之发生变化,且应变增加时出现红移,应变减小时出现蓝移。当应变由0με增至450με时,LPFG结构特征波长基本稳定在1 555.55 nm,MZ结构特征波长由1 569.95 nm增至1 571.75 nm。当应变由450με减至0με时,LPFG结构特征波长稳定在1 555.55 nm,MZ结构特征波长由1 571.75 nm降至1 569.5 nm。以应变变化为横轴,以特征波长为纵轴,绘制如图9、10所示的载荷变化过程应变响应特性曲线。

由实验结果可知,LPFG特征波长对应变不敏感,当应变由0με增至450με时,MZ干涉结构特征波长线性增加,灵敏度4.01 pm/με,线性度0.961 4。当应变由450με降至0με时,MZ干涉结构特征波长线性减小,灵敏度为4.24 pm/με,线性度0.914 9。



综上所述,该双参数光纤传感器中,LPFG仅对温度敏感,MZ干涉结构对温度和应变都敏感。其中,温度范围35~70℃时,LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度39.17 pm/℃;MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度为37.50 pm/℃。当应变范围0~450με时,MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/με,卸载灵敏度为4.2 pm/με。由于存在回程误差,对上述参数取平均值作为相应的灵敏度系数并代入公式(5),可以得到该光纤传感器的温度应变传感矩阵方程为:

在实际测量中,通过解调该光纤传感器的波长变化值,代入双参数传感矩阵公式(6),即可实时解算环境温度与应变变化,实现对温度和应变的双参量实时测量。

4 结 论

文中以Corning SM-28普通光纤为制备基材,介绍了CO2激光刻写LPFG、与错位熔接MZ干涉结构级联,利用两种光纤结构的不同滤波特性,实现温度与应变的传感测量。通过控制MZ干涉结构的干涉波谷位置,与LPFG级联后实现了级联结构透射谱特定波长的应变不灵敏,增强了双参数灵敏矩阵的实际可解性。分别搭建温度和应变测试系统,对该传感器的双参数测量进行研究,建立了该光纤双参数传感器温度/应变与光谱特征位置波长变化之间的无串扰双参数传感数学模型,通过双参数灵敏度系数矩阵便可以实时解算环境温度和应变变化。实验结果表明,温度范围35~70℃时,LPFG的升温灵敏度与降温灵敏度分别为38.57 pm/℃和39.17 pm/℃;MZ干涉结构的升温灵敏度与降温灵敏度分别为38.57 pm/℃和37.50 pm/℃;应变范围0~450με时,LPFG的应变灵敏度为 0,MZ干涉结构的加载灵敏度和卸载灵敏度分别为4.01 pm/με和4.24 pm/με。文中提出的双参数光纤传感器结构形式简单,稳定性好,灵敏度高,是实现单根光纤双参数测量的有效手段


 
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