CN112902862A - 一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器及其制作方法，在一根单模光纤的纤芯结构内制作两只啁啾光纤光栅，两只啁啾光纤光栅垂直于纤芯轴向方向，两只啁啾光纤光栅分别为左侧啁啾光纤光栅和右侧啁啾光纤光栅，左侧啁啾光纤光栅和右侧啁啾光纤光栅之间为啁啾光纤谐振腔，左侧啁啾光纤光栅和右侧啁啾光纤光栅的参数一致、方向不一致。可以获得多个点位的应力下的应变、挠度数值，从而可以利用该结构的传感器获得数据重构物体在承受外力或应力后的整体形变信息。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体说的是一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器。
背景技术
光纤光栅是光通讯中的重要无源光子器件，因其具有周期性的折射率调制结构，从而产生特定波长的反射与透射(特定波长与光纤光栅的有效折射率和周期有关)，因此在光纤传感领域中得到广泛的研究和应用开发。
啁啾光纤光栅(chirp Fiber Bragg Grating，)CFBG是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在啁啾光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以啁啾光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。
光纤法布里-珀罗(FP)腔具有精度高、体积小、结构简单、插入损耗小、抗电磁干扰、耐腐蚀、适用于恶劣环境等优点。近年来，在桥梁、隧道等大型建筑的监测测量工程以及多点分布式传感器网络中得到了越来越广泛的应用。
已有实验验证了啁啾光栅谐振腔的腔长度与光谱的关系，通过分析不同结构的有效谐振腔的长度，获得了随着有效谐振腔腔长量的增加，谐振峰数量增多以及峰间隔逐渐变小的实验结果。基于前期基础研究结果，我们采用啁啾光纤光栅谐振腔的结构设计为一种光纤挠度传感器。
随着光纤光栅加工工艺的进步和封装技术的发展，目前，基于光纤光栅开发的光纤传感器，在温度、湿度、应力、应变中都得到了取得了很好的实验结果，目前已经开始在工程中得到了应用，并逐步向产业化方向发展。
挠度的定义：细长物体(如梁或柱)的挠度是指在变形时其轴线上各点在该点处轴线法平面内的位移量。薄板或薄壳的挠度是指中面上各点在该点处中面法线上的位移量。
应变传感器的机理是：光纤光栅受到应力或者应变，使光纤光栅的周期产生变化，从而导致光纤光栅的反射波长发生漂移，根据波长发生的漂移量，获得应力或者应变的数值。
但是，目前的光纤光栅传感器在应变中的测量，都是基于应变带来的光纤光栅的波长变化，从而获得物体一个基点的应变参量，物体整体的的应变变化信息很难获得，尤其是梁或柱形物体的整体承受应力后的变化。
目前开发的光纤光栅应变或者应力传感器，都是基于光纤光栅栅区位置处的受力变化，只能获得光纤光栅栅区一点处的应力或者应变值，对于物体形变的准确性及可描述性差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器及其制作方法，可以获得多个点位的应力下的应变、挠度数值，从而可以利用该结构的传感器获得数据重构物体在承受外力或应力后的整体形变信息。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器，在一根单模光纤的纤芯结构内制作两只啁啾光纤光栅，两只啁啾光纤光栅垂直于纤芯轴向方向，两只啁啾光纤光栅分别为左侧啁啾光纤光栅和右侧啁啾光纤光栅，左侧啁啾光纤光栅和右侧啁啾光纤光栅之间为啁啾光纤谐振腔，左侧啁啾光纤光栅和右侧啁啾光纤光栅的参数一致、方向不一致。
一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1.将载氢处理后的单模光纤通过相位掩膜版法紫外曝光，采用啁啾相位掩膜版，制备左侧啁啾光纤光栅；
步骤2.设置一定长度的谐振腔长后，利用同一曝光函数、驱动控制函数在同一支单模光纤上制备与左侧啁啾光纤光栅参数完全一致的右侧啁啾光纤光栅，右侧啁啾光纤光栅与左侧啁啾光纤光栅的方向不一致，形成啁啾光纤光栅谐振腔；
步骤3.高温退火处理：将制备好的啁啾光纤光栅谐振腔结构的单模光纤置于干燥鼓风箱内150℃退火，10-12h后完成。
啁啾相位掩膜版的啁啾率为0.2-10nm/cm。
左侧啁啾光纤光栅选择在单模光纤波长起始峰的位置上进行制备。
右侧啁啾光纤光栅与左侧啁啾光纤光栅的有效长度为3-50mm。
本发明有益效果是：本发明通过改变物体所承受的应力的变化，通过记录光谱变化信息。对比与单个光纤光栅应力或者应变传感器，只能从光纤光栅的点位处获取物体一个点位的应变信息，而本发明提出的传感器，不但能够获得光纤光栅处的应变信息，还能通过光谱的谐振峰的变化，获得谐振腔长的变化信息，从而建立光纤光栅点位形变之间的关系，然后通过数据重构获得物体的挠度信息；该结构有望应用于精密计量、称重、及精密机械的挠度信息获取上。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为使用本发明的一种挠度监测系统示意图。
图3为本发明中啁啾光纤光栅谐振腔透射谱的光谱分布图。
图4为改变砝码质量(施加不同应力)的情况下，通过光谱分析仪记录下的透射光谱图。
图5为特定点处应变与施加力大小的关系图。
图6为砝码质量为100g时分数数据处理后拟合的挠度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
本发明所采用的技术方案是：如图1，一种基于啁啾光纤光栅谐振腔结构的挠度传感器，图1中，1为光纤光栅栅区，2为光纤光栅的栅格周期间距，距离的大小代表啁啾光栅周期大小的分布(距离越大则光栅周期相对量越大)。3 和4分别为固化胶的点胶位置。a、b、c分别代表光纤结构的涂覆层、包层、纤芯区域。5为左侧啁啾光纤光栅，6为右侧啁啾光纤光栅，7为单模光纤，10为待测物体。
1、传感器制作方法
一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器，在单模光纤7的纤芯结构内制作关于垂直于纤芯轴向方向镜像设置的左侧啁啾光纤光栅5和右侧啁啾光纤光栅6，左侧啁啾光纤光栅5和右侧啁啾光纤光栅6之间为啁啾光纤谐振腔，左侧啁啾光纤光栅5和右侧啁啾光纤光栅6的参数之致、方向不一致。
一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器的制作方法，包括以下步骤： A.将载氢处理后的单模光纤通过相位掩膜版法紫外曝光，采用啁啾相位掩膜版，制备左侧啁啾光纤光栅。
B.设置一定长度的谐振腔长后，利用同一曝光函数、按照左侧啁啾光纤光栅，驱动控制函数在同一支单模光纤上制备边模抑制比、3-dB带宽、中心波长、反射率、平坦度等参数完全一致的右侧啁啾光纤光栅，形成啁啾光纤光栅谐振腔。
C.高温退火处理：将制备好的啁啾光纤光栅谐振腔结构置于干燥鼓风箱内 150℃退火，10-12h后完成。
如需利用挠度传感器进行测量时，按下列步骤进行安装： D.将上述步骤得到的挠度传感器封装在应变片(待测物体)上，用固化胶在光栅谐振腔的一端封装，在2-3小时固化后，通过施加0.3-0.5N的预应力确保啁啾光纤光栅谐振腔平直，无弯曲损耗。
E.在光栅谐振腔结构的另一端完成点胶，同在经过2-3小时的固化。
F.D中所述的应变片为30-300mm，宽10-50mm，厚度0.2-10mm的长方体，具有一定的硬度和强度的材料。
G.搭建传感器的测试系统，包括带宽范围为1525nm-1580nm的宽带光源 ASE和光纤光谱分析仪OSA，宽带光源ASE和光纤光谱分析仪OSA通过连接光纤与封装在应变片上的挠度传感器9连接，测试光纤光栅图谱如图3所示。
H.应变片的一端为激光切割的圆孔，直径为8-10mm，距离应变片端部2-5 mm，用来悬挂挂钩及砝码。
光纤采用经过载氢增敏处理的康宁SMF-28e单模光纤。
载氢的流程为：在载氢反应装置内12-15Mpa的高压、85-95℃温度条件下进行载氢处理，100-150h后完成载氢处理后，保存在-40℃的低温箱里。
步骤A中具体实现方法为：选择波长起始峰的位置上，即形成谐振的初始峰，如1548.0075nm波长处为位置，通过施加0.15～1.0N预应力，此处预应力的大小会影响最终光谱的波长，因为拉伸一定程度上增大了光栅的栅格周期。随着力的增大，最终的波长就会逐渐减小。力不宜太大，大于1N的力会影响光栅的质量。如采用0.4N预应力，采用紫外相位掩膜版曝光的方法，制备啁啾光纤光栅。
采用啁啾掩膜版，中心波长周期不限定，只要最终有光谱响应即可，啁啾系数C为0.12～10nm/cm。
右侧啁啾光纤光栅与左侧啁啾光纤光栅的有效长度为3-50mm。刻写参数为准分子激光器(电压U＝600-850V，能量J＝6.2-8.5mJ，nm级精密位移平台速度v为0.00875-0.0125mm/s,曝光时间t为640-1142.8s)。
光栅参数：3dB带宽为0.5～20nm，反射率大于99％。
物理腔长位置受限于光谱分析仪0.02nm的最高分辨率。谐振腔中间位置裸纤的物理腔长为1-40mm。
制备啁啾光纤光栅谐振腔：透过调整裸纤的位置及方向，制备关于裸纤中心位置呈对称分布的啁啾光纤光栅，两只啁啾光栅的参数完全一致，仅存在方向的区别。结构方向可以是任意的，这样就有四种结构可选。主要的目的为制备参数一致的两个啁啾光纤光栅，带宽范围内形成较多的谐振峰。
左侧啁啾光纤光栅5和右侧啁啾光纤光栅6的参数一致、方向不一致指的是，在相同参数下，两只啁啾光纤光栅的啁啾率的大小及方向可以变化。啁啾率的大小可以通过更换不同啁啾率的大小来实现，在同等栅区长度下，啁啾率越大则最终形成的谐振带宽越宽，啁啾率的方向性，可以在制备光栅的过程中实现，以从左到右啁啾系数为正为基准，则四种情况分别为正正，正负，负正，负负。因为啁啾光栅具有方向性，所以说刻写过程中的正正、负负也是存在差别的。同理，正负、负正也会存在差别。需要注意的是在同种结构下两只啁啾光栅的带宽波长等信息是一致的。
四种结构形式中两只啁啾光纤光栅的周期有四种变化，分别为(1)左侧啁啾光纤光栅周期和右侧啁啾光纤光栅周期按纤芯结构轴线方向设置，按纤芯从左至右方向，左侧啁啾光纤光栅周期由小变大，右侧啁啾光纤光栅周期由大变小， (2)两侧啁啾光纤光栅周期沿纤芯轴向方向均由小变大；(3)两侧啁啾光纤光栅周期沿纤芯轴向方向均由大变小；(4)左侧啁啾光纤光栅由大变小，右侧啁啾光纤光栅由小变大。
2、传感器安装方法
设计待侧物体的大小尺寸，以应变片为例，即悬臂梁形状(长*宽*厚)：120mm*25mm*0.7mm；材质为304不锈钢。其中从左端20-100mm位置范围内激光切割直径为127um 的半圆柱槽；在11-110mm范围内激光切割直径为6-10mm。
将啁啾光栅谐振腔结构封装在距离应变片左端30-40mm的位置处，采用 AB胶，第一次点胶位置为谐振腔结构第一个栅区位置左端3-5mm处的位置，自然固化2.5-3h。
通过实时监测设备，施加轴向应力，使透射峰位置右移(红移)0.2-0.4nm，在第二个栅区右端点胶，固化2.5-3h后，去除应力，观察光谱变化。
将挂钩悬挂于应变片右端预留的圆孔内，开槽的砝码固定在挂钩上，接入实时监测系统，在砝码稳定，光谱稳定8-10mim后记录光谱数据。
图1所述的应变片5为不锈钢材料，尺寸为长110mm，宽10mm，厚度 0.5mm。为方便施加应力，将应变片的一端固定，另一端可以开多个不同位置圆孔，圆孔便于悬挂砝码，不同位置代表在不同位置施加应力；悬挂的砝码的重力为施加于应变片的外力。
啁啾光纤光栅的栅区长度均为5-10mm，两个啁啾光栅参数相同。
图2为传感器的测试装置及系统，ASE为宽带光源，波长范围为1525-1580 nm，OSA为光谱分析仪，型号为横河(AQ6370D)，波长最高分辨率为0.02nm； 8为连接光纤，9为封装在应变片上的挠度传感器。将传感器两端的光纤尾纤分别接入宽带光源和光谱分析仪，在施加外力和外力变化时该传感器的透射光谱变化。
图3为本发明中啁啾光纤光栅谐振腔透射谱的光谱分布，通过分析透射光谱，光纤的光栅3dB带宽、中心波长，反射率，以及传感器的谐振级次，谐振峰的数量，谐振腔的自由光谱范围等参数据均可通过记录的的光谱获取。
图4为改变砝码质量的情况下，通过光谱分析仪记录下的透射光谱，A为初始光谱，B为施加不同质量砝码的光谱。
图5为特定点处应变与施加力大小的关系图，选取点的位置分别为距离应变片固定端的44.5mm、64.5mm随施加砝码100/200/300/400/500g(F＝mg)的变化，线性度接近于0.99，传感器左端44.5mm处的应变值及应变系数略大于右端64.5mm处的应变。
图6为计算获取的挠度，挠度随轴向位置变化的曲线，定义应变片固定端为初始位置0mm，测量分析距离固定端40-85mm的挠度。
3、测量方法描述
由于光栅波长漂移轴向应力及温度的影响，因此在实验室温度24-26℃环境下测量。
通过中心波长变化量、谐振周期个数变化、自由光谱范围变化。随着砝码力的变化，对于第一个栅区，短波长处的的应变值大于长波长处；第二个栅区长波长处的应变值大于短波长，但是相对于第一个栅区的应变差值较小。
分析短波及长波范围内的波长漂移量，最终短波处的红移现象较为明显。计算长波与短波的波长变化量差值，同时分析谐振峰周期个数的变化。谐振峰个数随着腔长的改变数量增加，但是相对于整体波长红移影响较小(发生谐振的波长范围变小)，因此峰值数量也相对减小。
(1)弹光效应引起光致有效折射率变化为：
P11和P12为单模光纤的弹光系数，v为光纤材料的泊松比，ξ为应变。
CFBG有效弹光系数Pe为：
轴向应力引起CFBG中心波长λB的相对变化量：
λ为特征峰波长，λB为反射光谱中心波长、neff为光纤有效折射率为常数、
为线弹性范围内FBG的轴向应变。
整理上式可得：
上式中，P11＝0.121，P12＝0.270，v＝0.17，neff＝1.446，Pe≈0.22，则波长漂移量与应变的对应关系为：
ξ＝Δλ/(0.78λB)；
(2)由干涉级次、谐振峰数量的变化，选取相邻谐振波峰或者波谷的变化，根据光学谐振条件，2neffL＝mλ，m为干涉条纹级次，λ为谐振峰的峰值。
在同一个砝码重量下，取2neffL1＝m1λ1；2neffL2＝m2λ2；ΔλB＝λ2-λ1；m1-m2＝1； (λ2＞λ1)。
L为腔长，λ1、λ2为相临揩振峰的峰值，m1、m2为λ1、λ2各自对应的干涉条纹级次。
随着施加砝码重量的增加，谐振峰数量不断增加，光栅谐振腔任意特征峰的有效腔长L也会增加，估算相邻谐振峰位置处的的腔长变化量ΔL。
(3)根据腔长变化量ΔL及实际传感器封装位置估算对应点的应变，计算挠度与长度的变化关系。点的位置误差为0.002mm。点的应变为：F为力的大小，l为悬臂梁长度，x为轴向上点的位置，E为弹性元件材料的杨氏模量，Iz为材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩，见下公式截面面积*截面轴向长度的平方， b为材料宽度，h为厚度。
(4)根据位置坐标及应变关系
挠度w公式为：
综上所述，通过光谱分析数据得到波长变化量ΔλB，同时得到光学理论分析的结果腔长变化量ΔL,ξ值由由波长变化量ΔλB及光纤特征参数如P11，P12，光纤材料的泊松比v等得到，再通过2neffL＝mλ得到L的变化量ΔL。由腔长变化量ΔL得到x的位置坐标。由位置坐标x进而得到挠度分布曲线。根据该曲线，利用挠度传感器应用于不同待测物体时，可测得该物体的挠度值。
本发明的工作原理是：本发明采用将该该传感器固定在待测物体上，通过施加不同外力或者应力，待测物体上的多个点位均会发生形变，而且每个点的应变信息都有可能不同；经过啁啾光纤光栅谐振腔调控的后的光谱，光谱的周期及谐振峰数量可以反映了腔长的微小改变量；同时，啁啾光纤光栅的自身的带宽及中心波长的信息也能固定点位的应变信息；通过多个点位的应变信息进行数据重构，从而获得传感器的轴向方向上的挠度信息。
数据分析原理：通过分析自由光谱范围，重复谐振波长区间，小波长与大波长之间的位移差值，反馈谐振腔结构腔长改变量，干涉级次等参数的变化，最终得到各个位置点的应变量，挠度值，数据重构悬臂梁结构的挠度分布曲线。
Claims (5)
1.一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器，其特征在于：在一根单模光纤（7）的纤芯结构内制作两只啁啾光纤光栅，两只啁啾光纤光栅垂直于纤芯轴向方向，两只啁啾光纤光栅分别为左侧啁啾光纤光栅（5）和右侧啁啾光纤光栅（6），左侧啁啾光纤光栅（5）和右侧啁啾光纤光栅（6）之间为啁啾光纤谐振腔，左侧啁啾光纤光栅（5）和右侧啁啾光纤光栅（6）的参数一致、方向不一致。
2.如权利要求1所述的一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器的制作方法，其特征在于：挠度传感器具体制作方法包括以下步骤：
步骤1.将载氢处理后的单模光纤通过相位掩膜板法紫外曝光，采用啁啾相位掩模板，制备左侧啁啾光栅；
步骤2.设置一定长度的谐振腔长后，利用同一曝光函数、驱动控制函数在同一支单模光纤上制备与左侧啁啾光栅参数完全一致的右侧啁啾光纤光栅，右侧啁啾光纤光栅与左侧啁啾光纤光栅的方向不一致，形成啁啾光纤光栅谐振腔；
步骤3.高温退火处理：将制备好的啁啾光纤光栅谐振腔结构的单模光纤置于干燥鼓风箱内120~180℃退火，10-12h后完成。
3.如权利要求1或2所述的一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器的制作方法，其特征在于：啁啾相位掩模板的啁啾率为0.2-10 nm/cm。
4.如权利要求1或2所述的一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器的制作方法，其特征在于：左侧啁啾光栅选择在单模光纤波长起始峰的位置上进行制备。
5.如权利要求1或2所述的一种基于啁啾光纤光栅谐振腔的挠度传感器的制作方法，其特征在于：右侧啁啾光纤光栅与左侧啁啾光纤光栅的有效长度为3-50 mm。
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