CN112729597B - 一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器 - Google Patents

一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属化封装的光纤光栅法‑珀传感器，该传感器在同一根单模光纤中间隔一定距离写入两个相同的光纤光栅构成法‑珀腔，两个光纤光栅的反射波形成干涉，当温度作用于光纤光栅法‑珀传感器时，仅使干涉条纹随中心波长发生平移，反射波谱的形状不发生变化，因此，可以通过反射谱包络的移动测量温度，法‑珀传感器通过腔长变化感知被测量，利用其输出条纹信息和相位间的关系可以解调传感器的腔长，该传感器可以准确有效的传递应变，具有高度灵敏性，可以用于高精确度的结构健康监测。

Description

一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器。
背景技术
光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、结构简单、抗电磁干扰、耐腐蚀等多项优点，近年来在结构健康监测领域受到了广泛的关注，基于光纤光栅的各种功能器件也应运而生。其中，作为典型的被测物理参量，温度和应变被广泛研究。然而，光纤光栅的自身特点决定了它对温度和应变都敏感，单纯通过检测布拉格中心波长的移动无法同时区分温度和应变的影响，因此极大限制了光纤光栅传感器在一些高精度测量领域的应用。
针对温度与应变交叉敏感问题，国内外研究人员提出了很多解决方法，例如，将参考光纤光栅与传感光纤光栅串联在一路光纤上，根据两只光纤光栅布拉格波长相对漂移获得被测结构的温度和应变；在一根光纤的同一位置写入两个周期不同的光纤光栅，通过矩阵计算出温度和应变；将光纤光栅和不同类型的光纤光栅结合，例如长周期光纤光栅、法布里-珀罗干涉仪、多模干涉仪等；通过封装使得单个光纤光栅的带宽和波长随应变和温度的变化而变化，利用光谱带宽和布拉格波长确定温度和应变。
此外，相比于轴向作用而言裸光纤的抗剪力作用比较差，而实际工程应用环境大多比较复杂。所以，为保证光纤传感器的使用性能需要对其进行封装保护。目前的封装方式大多数采用胶黏剂封装，而胶黏剂属于有机物，在恶劣环境或长时间工作情况下容易老化分解。而且胶黏剂与金属基底材料的弹性模量相差较大，因此在进行接触测量时很难保证应变传递的有效性和准确性，不利于高精度测量要求下的结构健康监测。
发明内容
本发明为了解决现有技术中无法保证接触测量时应变传递的有效性和准确性这些问题，提供了一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器，该传感的制备方法具体如下：
(1)光纤光栅的制备
将单模光纤进行载氢处理，然后进行光栅刻写，刻写两个布拉格光栅，两个布拉格光栅之间形成法-珀腔；
(2)封装传感器
对铝合金基底进行抛光处理、超声清洗、蒸馏水清洗和氮气吹干后，放在加热平台上进行熔融；
将制备好的光纤光栅固定在光纤夹具上，在光纤法-珀腔处涂覆铝合金膜，涂覆完成后自然冷却至室温。
所述载氢处理的条件为：在80℃，11Mpa下进行3day的载氢处理；
所述光栅刻写使用波长为244nm的氩离子紫外激光器，所述两个布拉格光栅长度均为5mm，所述法-珀腔长度为15mm；
所述加热平台温度设置为190℃；
所述铝合金膜的涂覆长度为9mm。
本发明还提供一种由上述制备方法制备的金属化封装的光纤光栅法-珀传感器，该传感器为同一根单模光纤中间隔一定距离写入两个相同的光纤光栅构成法-珀腔，当宽带光源I0(λ)入射到光纤光栅法-珀传感器时，两个光纤光栅的反射波形成干涉，根据双光束干涉理论，反射输出光强满足以下公式：
Figure BDA0002818807880000021
其中，λ为波长，R为光纤光栅反射率，LFP为法-珀腔长；
根据光纤光栅布拉格波长公式λB＝2neffΛ，光纤光栅波长的相对变化与温度和应变的关系满足以下公式：
Figure BDA0002818807880000022
其中，Pe为有效弹光系数，αf和ξ分别为热光系数和热膨胀系数；
干涉条纹的相位满足以下公式：
Figure BDA0002818807880000023
由于纤芯有效折射率Δneff和ΔLFP的变化，它的相对改变满足以下公式：
Figure BDA0002818807880000024
光纤光栅空间的变化与光纤光栅周期的变化关系满足以下公式：
Figure BDA0002818807880000031
可得
Figure BDA0002818807880000032
所述法-珀传感器通过腔长变化感知被测量，利用其输出条纹信息和相位间的关系可以解调传感器的腔长：
当λ和LFP满足关系：
Figure BDA0002818807880000033
IR(λ)取得极大值；
当λ和LFP满足关系：
Figure BDA0002818807880000034
IR(λ)取得极小值；
根据任意两个干涉条纹峰值对应的波长可以求解法珀传感器的腔长，公式为：
Figure BDA0002818807880000035
式中，m、m-q为波峰的干涉次级。
与现有技术相比较，本发明的有益之处为：
本发明提供一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器，该传感器在同一根单模光纤中间隔一定距离写入两个相同的光纤光栅构成法-珀腔，两个光纤光栅的反射波形成干涉，当温度作用于光纤光栅法-珀传感器时，仅使干涉条纹随中心波长发生平移，反射波谱的形状不发生变化，因此，可以通过反射谱包络的移动测量温度，法-珀传感器通过腔长变化感知被测量，利用其输出条纹信息和相位间的关系可以解调传感器的腔长，该传感器可以准确有效的传递应变，具有高度灵敏性，可以用于高精确度的结构健康监测。
附图说明
图1为实施例中布拉格光纤光栅刻写系统的示意图；
图2为实施例中光纤光栅法-珀传感器封装示意图；
图3为实施例中光纤光栅法-珀腔反射和透射光谱图；
图4为实施例中光纤光栅法-珀腔封装前后反射光谱图；
图5为试验例1中光纤光栅法-珀传感器特性测试系统结构图；
图6为试验例1中光纤光栅法-珀传感器反射光谱随温度升高变化曲线图；
图7为试验例1中光纤光栅法-珀传感器反射光谱随温度降低变化曲线图；
图8为试验例1中升温时波长随温度变化的曲线图；
图9为试验例1中降温时波长随温度变化的曲线图；
图10为试验例2中采集到的压缩加载时的反射光谱图；
图11试验例2中腔长变化与应变关系的曲线图；
图12试验例2调节应变与实际应变的关系曲线图。
附图标记说明：
1-氩离子激光器，2-位移平台，3-反射镜，4-柱透镜，5-相位掩膜版，6-载氢光纤。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
实施例
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。下面通过具体的实施例对本发明的一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器进行说明：
本实施例提供了一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器的制备方法，该方法步骤如下：
(1)光纤光栅的制备
将康宁单模光纤SMF-28e放入载氢装置内，在80℃，11Mpa的条件下进行为期三天的载氢处理，然后使用波长为244nm的氩离子紫外激光器对光纤进行刻写，刻写系统如图1所示，刻写的两个布拉格光栅长度为5mm，两个布拉格光栅间形成的腔长为15mm，对光纤光栅法-珀腔进行反射图谱和透射图谱的采集，得到的图谱如图3所示。
(2)封装传感器
首先，对铝合金基底进行抛光处理，然后用无水乙醇对抛光处理后的铝合金基底进行超声清洗，然后用蒸馏水反复清洗，将清洗干净的基底经过氮气吹干放在加热平台，加热平台温度设置为190℃。将刻写好的光纤两端固定在光纤夹具上，启动超声波发生器，取熔融的金属合金，将其涂覆在法-珀腔，涂覆长度为9mm，然后关闭加热平台让其自然冷却至室温，便制备得到光纤光栅法-珀传感器。对封装前后的光纤光栅法-珀传感器进行发射光谱采集，如图4所示。
由上述制备方法制备的金属化封装的光纤光栅法-珀传感器具有以下特性：
同一根单模光纤中间隔一定距离写入两个相同的光纤光栅构成法-珀腔，当宽带光源I0(λ)入射到光纤光栅法-珀传感器时，两个光纤光栅的反射波形成干涉，根据双光束干涉理论，反射输出光强为：
Figure BDA0002818807880000058
式中，λ为波长，R为光纤光栅反射率，LFP为法-珀腔长，由式(1)可以看出光纤光栅法-珀腔的反射谱由两部分组成，第一部分是光纤光栅反射光谱形成的包络，第二部分是对应法-珀腔的干涉条纹。为了分析光纤光栅法-珀腔的传感特性，从单个光纤光栅的传感特性出发，根据光纤光栅布拉格波长公式λB＝2neffΛ，光纤光栅波长的相对变化与温度和应变的关系为：
Figure BDA0002818807880000051
式中Pe为有效弹光系数，αf和ξ分别为热光系数和热膨胀系数。干涉条纹的相位是：
Figure BDA0002818807880000052
由于纤芯有效折射率Δneff和ΔLFP的变化，它的相对改变可以表示如下：
Figure BDA0002818807880000053
因为连接光纤光栅的材料是相同的，所以光纤光栅空间的变化与光纤光栅周期的变化关系为：
Figure BDA0002818807880000054
将式(2)带入式(4)可得
Figure BDA0002818807880000055
因此，在中心波长处的相位变化始终为零，即当温度作用于光纤光栅法-珀传感器时，仅使干涉条纹随中心波长发生平移，反射波谱的形状不发生变化，因此可以通过反射谱包络的移动测量温度。法-珀传感器通过腔长变化感知被测量，利用其输出条纹信息和相位间的关系可以解调传感器的腔长。由式(1)可知，当λ和LFP满足关系：
Figure BDA0002818807880000056
IR(λ)取得极大值，当λ和LFP满足关系：
Figure BDA0002818807880000057
IR(λ)取得极小值，根据任意两个干涉条纹峰值对应的波长可以求解法珀传感器的腔长，即
Figure BDA0002818807880000061
式中，m、m-q为波峰的干涉次级。
试验例1
对实施例中制备得到的光纤光栅法-珀传感器进行温度传感测试，首先搭建如图5所示的测试系统，宽带光源产生的宽带光经环形器入射到光纤光栅法-珀传感器中，传感器放置在高低温箱内，传感器的反射光通过环形器进入光谱仪，进行峰值波长监测和记录。实验温度范围为-40℃～100℃，每20℃为一个温度变化单位，每个温度点保持十分钟平稳状态，平稳阶段光谱仪每分钟采集一次数据。升降温过程中传感器的反射光谱随温度变化情况如图6和图7所示。如图6所示，随着温度的升高，传感器反射峰谱向波长增大的方向漂移，反射谱包络的变化为1.316nm；如图7所示，随着温度的降低，传感器反射谱向波长减小的方向漂移，反射谱包络变化为1.321nm。
根据上述温度传感测定结果，分别对传感器升降温过程的反射光谱进行包络拟合，对温度的灵敏度和线性度进行分析，图8为升温时波长随温度的变化，图9为降温时波长随温度的变化，升温和降温过程中传感器的中心波长与温度呈现良好的线性关系，线性相关系数均达到0.99以上，升温时温度灵敏度为9.58pm/℃，降温时温度灵敏度为9.75pm/℃。
试验例2
对实施例中制备得到的光纤光栅法-珀传感器进行压缩传感测试。首先，以厚度为3mm的等强度梁作为测试基底，将制作的光纤光栅法-珀腔采用金属化封装的形式粘贴在等强度梁的中心线上。
测试中选用的等强度梁微分头每转一个刻线，即0.01mm，等强度梁在水平方向上的形变为4.152με。为保证数据的准确性，采用相对应变值，即先旋转微分头至传感器光谱开始移动记为初始值，然后转动微分头进行加载和卸载，加载卸载过程的范围均为0～103.8με，每20.76με为一个应变变化单位，用光谱仪采集压缩加载和卸载时的反射谱，图10所示是压缩加载时反射光谱的变化，干涉峰向左移动。
根据上述压缩测试的结果数据，通过条纹计数法选取六级干涉条纹解调出法珀腔长变化，得到的腔长变化值与应变的关系如图11所示，加载和卸载过程中无滞回现象，线性度都超过0.999，法-珀腔有效腔长为9mm，根据应变的计算公式
Figure BDA0002818807880000071
得出应变值，计算结果如图12所示，通过计算可得相对误差约为0.65％。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种金属化封装的光纤光栅法-珀传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法具体步骤如下：
(1)光纤光栅的制备
将单模光纤进行载氢处理，然后进行光栅刻写，刻写两个布拉格光栅，两个布拉格光栅之间形成法-珀腔；
(2)封装传感器
对铝合金基底进行抛光处理、超声清洗、蒸馏水清洗和氮气吹干后，放在加热平台上进行熔融；
将制备好的光纤光栅放在铝合金基底上，用光纤夹具固定，在光纤法-珀腔处涂覆金属合金膜，涂覆完成后自然冷却至室温；
所述光纤光栅法-珀传感器受到温度作用时，仅使干涉条纹波长发生平移，反射波谱的形状不发生变化，通过反射谱包络的移动测量温度；法-珀传感器通过腔长变化感知被测量，利用其输出条纹信息和相位间的关系可以解调传感器腔长，以用于应变传感测量；
所述光纤光栅法-珀传感器为同一根单模光纤中间隔一定距离写入两个相同的光纤光栅构成法-珀腔，当宽带光源I0(λ)入射到光纤光栅法-珀传感器时两个光纤光栅的反射波形成干涉，根据双光束干涉理论，反射输出光强满足以下公式：
Figure FDA0003899680810000011
其中，IR(λ)为反射光强度，λ为波长，R为光纤光栅反射率，LFP为法-珀腔长，n为光纤的折射率；
根据光纤光栅布拉格波长公式λB＝2neffΛ，光纤光栅波长的相对变化与温度和应变的关系满足以下公式：
Figure FDA0003899680810000012
其中，neff为光栅纤芯有效折射率，Δneff为光栅纤芯有效折射率变化量，Λ为光栅周期，ΔΛ为光栅周期变化量，ΔλB为光纤光栅布拉格波长变化量，Pe为有效弹光系数，εax为应变变化量，αf和ξ分别为热光系数和热膨胀系数，ΔT为温度变化量；
干涉条纹的相位满足以下公式：
Figure FDA0003899680810000021
由于纤芯有效折射率neff和LFP的变化，它的相对改变满足以下公式：
Figure FDA0003899680810000022
其中，ΔφFp为干涉条纹相位的变化量，n为光纤的折射率，λ为波长，ΔLFP为法-珀腔长的变化量，λB为光纤光栅布拉格波长，ΔλB为光纤光栅布拉格波长变化量；
光纤光栅空间的变化与光纤光栅周期的变化关系满足以下公式：
Figure FDA0003899680810000023
可得ΔφFp(λB)＝0；
所述法-珀传感器通过腔长变化感知被测量，利用其输出条纹信息和相位间的关系可以解调传感器的腔长：
当λ和LFP满足关系：
Figure FDA0003899680810000024
IR(λ)取得极大值；
当λ和LFP满足关系：
Figure FDA0003899680810000025
IR(λ)取得极小值；
根据任意两个干涉条纹峰值对应的波长可以求解法珀传感器的腔长，公式为：
Figure FDA0003899680810000026
式中，μ为波峰的干涉次级，λm为干涉条纹峰值对应的第m级波长，λm+q为干涉条纹峰值对应的第m+q级波长，λμ为干涉条纹峰值对应的第μ级波长，m、m+q为波峰的干涉次级。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅法-珀传感器的制备方法，其特征在于，所述载氢处理的条件为：在80℃，11Mpa下进行3day的载氢处理。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅法-珀传感器的制备方法，其特征在于，所述光栅刻写使用波长为244nm的氩离子紫外激光器；所述两个布拉格光栅长度均为5mm，所述法-珀腔长度为15mm。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅法-珀传感器的制备方法，其特征在于，所述加热平台温度设置为190℃；所述金属合金膜的涂覆长度为9mm。
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