基于腰椎放大熔接的FBG热线式风力计*

赵学芳， 王新淮， 董新永

(中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018)

基于腰椎放大熔接的FBG热线式风力计*

赵学芳， 王新淮， 董新永

(中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018)

提出了一种基于腰椎放大熔接和光纤Bragg光栅(FBG)的热线式风力计，传感结构由表面镀金属银膜的FBG和腰椎放大光纤熔接点构成。腰椎放大熔接点将高功率的泵浦激光由纤芯耦合到光纤包层，被镀银膜吸收产生热量，从而使FBG的温度升高。当气流经FBG时，部分热量会被带走，导致FBG的温度降低。FBG的中心波长随温度的变化而变化，因此,通过测量FBG波长的漂移即可以测得气流速度。实验结果表明:此FBG热线式风力计的测量范围为0～13.7 m/s，灵敏度和分辨率分别可达1.0 nm/(m/s)和0.001 m/s。

热线式风力计； 光纤Bragg光栅； 腰椎放大熔接点； 光纤传感

0 引 言

近几年，光纤传感器因其独特的优势，如抗电磁干扰能力强、灵敏度高、结构紧凑及成本低等特性，吸引了很多研究者的注意[1～3]。光纤Bragg光栅(FBG)是一种新型的光纤器件，其通过Bragg反射波长随被测参量的变化来获取传感信息。近年来，研究人员提出了多种基于FBG的热线式流量传感器方案，即可采用在光纤内部掺入金属元素或者在FBG表面镀金属膜的方法，制成光纤光栅传感探头，此传感探头能够利用高功率激光器进行自身的加热，从而达到热线的效果[4]。美国匹兹堡大学首先提出利用大功率激光器对FBG进行温度调制[5]的设计，先要在FBG的表面镀上一层金属薄膜，在镀膜的FBG前面，一个多模光纤与其相连，由于单模光纤的纤芯直径比多模光纤的纤芯直径要小，因此，当光从多模光纤传输至单模光纤中时，其中大部分的激光将会被耦合到单模光纤的包层中，然后被金属薄膜吸收产生热量，从而提高FBG的初始温度。但是泵浦激光的耦合效率有限，导致其测量范围较窄。2011年，葡萄牙的Caldas P等人[6]用长周期光纤光栅(LPG)取代多模光纤也实现了FBG热线式风速传感。但LPG对温度和弯曲敏感，泵浦激光耦合的稳定性不好。同年，浙江大学[7]提出将FBG刻写在掺钴光纤上，利用钴吸收泵浦激光产生的热量实现热线式流量测量，可有效提高激光的耦合效率和稳定性。然而，由于掺钴光纤价格昂贵，并且在掺钴光纤上刻写光栅过程复杂，因此，应用较难。2012年，本课题组提出在镀银FBG之前引入光纤错位熔接结构的方法[8]，获得了稳定高效的激光耦合，实现了最高精确度0.022 m/s的风速测量。但该方法中光纤错位熔接结构的机械强度不高，另外，FBG的啁啾效应明显，依然需要改进。

本文在前期工作基础上，提出了一种基于腰椎放大光纤熔接结构的新型FBG的风力计，将腰椎放大光纤熔接结构作为泵浦激光耦合器，获得了较高的耦合效率和稳定性，同时保持了光纤良好的机械强度。

1 传感结构设计与实验原理

新型光纤光栅风力计的传感结构如图1所指示，包括一个腰椎放大熔接区域[9～11](使用Fujikura的FSM—60s熔接机)和一个表面镀银膜的FBG。FBG是用倍频氩离子激光器采用相位模板技术刻写而成，其长度为4 mm，中心波长为1 549.36 nm，反射率为98 %，3 dB带宽为0.32 nm。光纤腰椎最放大处距离FBG大约为1 mm，熔接区域的显微镜照片如图1(a)。熔接完毕后，利用真空蒸镀法在FBG表面镀上一层约为120 nm厚的金属银。为了防止金属银被空气氧化，在银膜表面上镀一层厚度为100 nm的石英层。

图1 腰椎放大的显微镜照片和传感头结构图Fig 1 Micrograph view of waist-enlarged fiber bitaper andstructure diagram of sensing probe

高功率泵浦激光器与传感探头连接，腰椎放大结构将泵浦激光的绝大部分能量耦合进光纤包层中，然后被银膜吸收产生热量，从而提高FBG的初始温度，使FBG的中心波长向长波方向漂移。当气流经过时，FBG周围的部分热量会被带走，导致温度降低直至形成新的热平衡状态，FBG的中心波长随温度降低而向短波方向漂移。波长漂移量将由热平衡温度决定，即由气体的流速决定。因此，通过检测FBG波长的漂移量，即可获得气体的流速。

根据热交换定理和热线风速计的原理，物体达到热平衡状态时，可得平衡状态方程如下

(1)

其中,aAg为银膜对泵浦激光的吸收系数，φ为腰椎放大熔接点的耦合效率，Pinput为激光的输入功率，A和B为经验校准常数，v为风速，T(v)为风力计的温度，Te为环境的温度，则T(v) 与v的关系可表示为

(2)

假设风速为零时激光泵浦下FBG的中心波长为λ0，FBG的波长漂移λ-λ0随温度变化的关系为

λ-λ0=k(T(v)-Te)λ0,

(3)

式中 k为FBG的温度系数。由以上可以得出FBG的波长λ与风速v的关系式

(4)

2 实验与分析

实验装置如图2所示，实验中，风洞口径为60cm×60cm，将风力计放置于此风洞的出口中央处，风速可以通过风洞装置在0～20m/s的范围内进行调节。激光器的波长为1 480nm，其最大输出功率为340mW。通过1 480/1 550nm的波分复用器(WDM)，激光器连接到传感头。光纤环行器(OC)一端连接宽带光源(BBS)与传感头，另外一端连接光谱仪或FBG解调仪，其中解调仪的波长分辨率为1pm。

图2 实验装置图Fig 2 Experimental device

图3(a)是在没有气体流过时，泵浦激光在打开前和打开后FBG的反射谱图。从图中可以看到，FBG的反射谱在泵浦激光打开后向长波长方向漂移了1.2nm，这是由于泵浦激光对其的加热效应所致。由于FBG的温度灵敏系数约为10pm/ ℃，可以推断此时传感头的温度比环境温度高120 ℃左右。同时，可以观察到FBG的反射谱形状也有一定的改变，且反射率下降了5 %，此种现象的产生是由于泵浦激光在对FBG加热过程中，加热不均匀，进而产生了啁啾效应。

图3(b)为在没有气体流过时，FBG反射波长随激光功率的变化情况。可以看出，中心波长漂移量与泵浦激光功率具有较好的线性关系，该线性曲线斜率为3.4pm/mW。实验中为了使FBG波长具有最大初始漂移量，将激光功率输出值固定在340mW。

图3 激光打开和关闭时FBG的反射谱图和FBG反射波长随激光功率的变化Fig 3 Reflection spectra of FBG with and without laser heating and reflected wavelength of FBG change with laser power

图4为FBG风力计在不同风速下的反射光谱。为消除环境温度对测量的干扰，实验过程中保持环境温度恒定。由图可以看出，气体流速越大，FBG的波长改变量越大。这是因为气流速度增大的同时，带走的热量也随之增大，使得FBG的温度持续降低。当流速从0m/s增大到13.7m/s时，波长漂移量达到1nm。可见在流速在13.7m/s时，传感头仍比环境温度高了20 ℃左右。

FBG反射波长随风速的变化关系如图5所示，其响应(即灵敏度)随流速增大而变小，当流速超过13.7m/s时，响应变得很弱，这和牛顿热力学定律是相符的。根据式(4)与实验数据进行拟合，得到了一条拟合度很好的曲线(见图5)。此时，公式(4)可以改写为

(5)

由上面的公式，得出风速与光纤光栅中心波长的关系，即

(6)

必须说明的是,式(5)和式(6)都是在特定条件下的测量结果，在实际应用中，一些条件的改变可能会导致公式参数的改变。如增大泵浦源的输出功率，腰椎放大结构中耦合效率的变化，环境温度的改变等。

图4 不同风速下风速计的反射谱Fig 4 Reflection spectra of anemometer under variousairflow velocities

图5 FBG反射波长对风速的响应Fig 5 Response of FBG reflection wavelength to airflow velocity

对实验结果进行分析，还可以得出此FBG风力计的流速测量灵敏度和分辨率在风速为0.5m/s时分别为1.0nm/(m/s)和0.001m/s；在风速为3.5m/s时分别为0.357nm/(m/s)和0.028m/s；在风速为6.5m/s分别为0.164nm/(m/s)和0.061m/s;在风速为9.5m/s时，分别为0.01nm/(m/s)和0.1m/s。

通过增大泵浦激光的输出功率或提高银薄膜对激光的耦合效率，还可以进一步扩大此风力计测量范围，这两种方法均能增加FBG的初始波长。此外，调整腰椎放大熔接距离，提高金属镀膜技术等方法均可有效地提高此FBG热线式风力计的分辨率与灵敏度。所以，在实际应用中，可根据具体需要进行参数的优化，进而获得最佳的测量效果。

3 结 论

本文提出并实现了一种新型FBG热线式风力计。其利用腰椎放大结构实现高功率泵浦激光由纤芯到包层的耦合，由镀在FBG表面的银膜吸收从而对其进行加热，气流带走热量使FBG的中心波长随温度的变化而改变，实现对气流速度的测量。实验得出了FBG波长对风速的响应曲线和关系式，测量范围为0～13.7m/s，其分辨率和灵敏度分别可达0.001m/s和1.0nm/(m/s)。此FBG热线式风力计具有结构简单、抗电磁干扰等众多优势，具有很好的发展前景。

[1]JewartC,McMillenB,ChoSK,etal.X-probeflowusingself-poweredactivefiberBragggratings[J].SensorsandActuatorsA:Phys,2006,127(1):63-68.

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[5]ChenKP,McMillenB,BuricM,etal.Self-heatedfiberBragggratingsensors[J].AppliedPhysicsLetters,2005,86(14):143502.

[6]CaldasP,JorgePAS,RegoG,etal.Fiberoptichot-wireflowmeterbasedonametalliccoatedhybridlongperiodgrating/fiberBragggratingstructure[J].AppliedOptics,2011,50(17):2738-2743.

[7]GaoShaorui,ZhangAP,TamHY,etal.All-opticalfiberanemometerbasedonlaserheatedfiberBragggratings[J].OpticsExpress,2011,19(11):10124-10130.

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FBG hot-wire anemometer based on incorporating with waist-enlarged fiber bitaper*

ZHAO Xue-fang, WANG Xin-huai, DONG Xin-yong

(College of Optical and Electronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

A hot-wire anemometer based on a silver-coated fiber Bragg grating(FBG)incorporating with a waist-enlarged fiber bitaper is proposed.The waist-enlarged fiber bitaper couples the light from a pump laser propagating along the fiber into the fiber cladding,the light is absorbed by silver film and generate heat,which increases temperature of the FBG.Air flow cools down the FBG and shifts the Bragg wavelength to shorter wavelength.FBG wavelength shifts with the change of temperature.Anemometer is therefore realized by monitoring the wavelength changes of the FBG. Experimental results show that the measurement range is 0～13.7 m/s,the sensitivity is up to 1.0 nm/(m/s)and resolution is 0.001 m/s.

hot-wire anemometers; fiber Bragg gratings(FBG); waist-enlarged fiber bitapers; optical fiber sen-sing

10.13873/J.1000—9787(2015)10—0057—03

2015—02—08

国家“973”计划资助项目(2010CB327804);浙江省自然科学基金杰出青年团队项目(R1080087)

O 431.1

： A

： 1000—9787(2015)10—0057—03

赵学芳(1988)，女，河北秦皇岛人，硕士研究生，主要研究方向为光纤光栅传感器。