基于光子晶体光纤的在线压力监测技术*

张 毅,庄 志,陈 颖

(中国工程物理研究院总体工程研究所,绵阳 621999)



基于光子晶体光纤的在线压力监测技术*

张 毅*,庄 志,陈 颖

(中国工程物理研究院总体工程研究所,绵阳 621999)

为了监测紧凑结构件的内部层间压力,提出一种采用新型材料保偏光子晶体光纤为敏感单元的嵌入式压力在线检测技术。建立了传感模型,采用Sagnac干涉技术组建检测系统,并进行了实验研究。通过实验验证,检测系统输出干涉峰值的移动量与光纤横向压力成线性关系,传感器可检测压力范围为0～10 kN,压力灵敏系数为0.441 4 nm/kN,传感器精度2.6%,且能明显观测到光纤上方垫层材料的松弛效应。试验验证敏感单元的重复性能良好,且温度敏感系数仅为-11.8 pm/℃,使得该类传感器具有良好的抗温度干扰性及工程实际应用性。

光纤压力传感器;光子晶体光纤;Sagnac干涉仪;在线监测;应力松弛;低温度敏感性

在兵器工程、航空航天领域,层间压力是需要在线监测的重要数据之一,但是某些试验件内部结构十分紧凑,使用传统的压力传感器难以实现这类狭小空间内的层间压力测量,特别是在易燃易爆的场所,可靠的测试方式可以确保产品的安全性。相比普通传感器,光纤传感器具有尺寸小、高精度、本质安全等优越性能,在这类特殊的场合具有独特的优势。目前光纤压力传感技术大部分研究都基于法布里珀罗干涉仪(FPI)或光纤光栅(FBG)式,两者都能获得光纤轴向压力或应力变化,但当需要横向压力信息时,一般要通过设计特殊的结构,无疑很大程度上增加了探头体积,且很难实现高精度或大压力测量,为此我们研究了基于保偏光子晶体光纤的横向压力检测技术[1-7]。保偏光子晶体光纤是近年来出现的一种新型材料,相比传统保偏光纤具有更高的压力敏感性,它的出现为传统保偏光纤提供了一条崭新的途径,更加有利于提高测试精度。此外,由于这种光纤由纯石英制成,温度敏感性小,据报道高双保偏光子晶体光纤的温度敏感性仅0.05 pm/℃,此特性有利于提高测试系统温度稳定性,这对传感器的实际工程化应用是非常有价值的[8-13]。因此,利用其温度不敏感性及较大压力敏感性的特点,可实现对压力的高精度传感与检测,且无需进行温度补偿。

1 传感理论分析及检测系统组建

采用Sagnac干涉技术组建多通道保偏光子晶体光纤压力检测系统,系统组成主要由敏感单元、窄线宽光纤激光器、光耦合器、Sagnac干涉环、大带宽同步探测器及计算机等部分组成,通过光开关扩展测试通道,见图1。激光器发出的光经过光纤耦合器,一路通过偏振控制器输出给光子晶体光纤,另一路接收返回的光给探测器,由计算机记录并分析Sagnac干涉环输出光谱的特征峰值的波长偏移值,从而获得施加在PM-PCF上的横向压力。

采用PM-PCF作为压力敏感单元,其内部是一种特殊的多孔结构,是由大小不一且按特定规则排列的气孔组成,见图2。

图1 测试系统组建框图

图2 PM-PCF截面微观结构及受力图

敏感单元传感原理是,光束从两个相反方向通过Sagnac环,在没有引入外界因素干扰时,两束光之间是固定相位差。但是当敏感单元横向受压后,在光纤截面内会产生应力应变,等效至x、y两个主轴方向上,导致光纤中对应方向折射率变化,其相位差将发生变化。透射干涉谱在相位差变化影响下,干涉谷值尖峰会向某一方向移动,通过寻找波长值移动与压力的关系,即可实现对压力的测量,其传感机理见式(1),其干涉光谱图见图3。

(1)

式中:F为给光纤施加的横向压力、P为压强、σ为光纤截面产生的应力、ε为应变、ΔB为双折射率改变量、Δφ为相位变化、Δλ为透射干涉谱波长谷值移动量。

图3 干涉光谱图

光波经过Sagnac干涉仪后,在光纤中传播距离L后,两束相反方向传播的光的干涉相位差可以用下式表示[14]:

(2)

式中:B为保偏光子晶体光纤的双折射差。在受到外界压力时,式(2)中的双折射大小以及光纤长度会改变,相位延迟波动量由两部分组成:

(3)

式中:ΔB表示双折射的变化量,ΔL表示光纤在轴向方向上的长度变化,对于光子晶体光纤截面空气孔结构,光波在被由空气孔限制的纤芯内传播,纤芯处各向折射率的变化是产生双折射变化的主要因素;压力作用在敏感光纤上,致使轴向方向上的长度改变,光波在光纤中传播的有效光程发生变化。

衡量静压力对光子晶体光纤的影响,由于作为敏感单元的光子晶体光纤在常温常压下处于无应力的自然状态,纤芯处的附加应力完全由外部静压力产生,静压力作用下因应变产生的形变量较小,对纤芯传播光相位影响可以忽略。

在光纤的内部,3个主应力方向上,应力场改变了光纤的介电常数或折射率分布引起了光纤传输特性的变化,使介质变为各向异性更加明显,产生了双折射。各向应力对材料折射率的影响服从以下公式

(4)

因此,可以求出双折射差为:

ΔB=Δnx-Δny=(C1-C2)(σx-σy)

(5)

Sagnac环中正反两束光经过双折射光纤后产生相位差,形成了干涉条纹,由于压力导致的干涉光谱峰值偏移为:

(6)

式中:C1=-6.9×10-13m2/N、C2=-41.9×10-13m2/N是纯石英材料的弹光系数其差值是常数,由式(6)可见波长移动量与x、y两快慢轴的应力差成正比关系,既Sagnac干涉环输出干涉谱的特征峰值移动量与光纤所受的横向压力值成正比关系。

2 实验及分析

通过标定实验的实验数据可以分析压力与输出干涉谱峰值偏移量之间的对应关系,实验装置见图4,采用精度为0.5%的材料实验机进行压力加载,材料试验机加载数据作为标准压力值与测试系统输出光谱波长偏移量做比对。敏感单元为PM-PCF,安装于材料实验机的直径80 mm的不锈钢加载平面上。材料试验机力加载夹具可以微调加载平面姿态,以确保压力施加在敏感单元的法线上。分别进行了裸光纤、单层垫层材料、上下双层垫层材料的力加载试验。由于裸光纤在加载到150 N后波形变形,说明敏感单元开始破损,所以本文中介绍的是放置于面积为80 mm×50 mm×0.8 mm的高分子垫层材料下的PM-PCF受压实验。

图4 实验设备

2.1 压力加载实验

设置材料实验机加载参数,将压力从0 kN逐渐升高到10 kN,步进值500 N,将PM-PCF分x、y2个方向分别安装后,记录PM-PCF快慢轴输出的波长峰值位移,实验结果如图5所示。

图5 压力测量实验曲线

通过实验数据可以看出PM-PCF两轴的压力敏感系数不同,求出慢轴的拟合曲线为y=0.441 4x+0.011 2,快轴的拟合曲线为y=-0.146 9x-0.033 1。由实验数据可以分析出加垫层材料后传感器的压力敏感系数为0.4 nm/kN,量程10 kN,测量精度为2.6%,通过实验证明光子晶体光纤测量横向压力时具有良好的线性度、测量精度、灵敏度,并可进行大量程压力测量。从实验结果可以看出由于慢轴的敏感系数与压力成正比且与压力的敏感度高,而快轴敏感系数与压力成反比,表现在波长偏移前者向右移动,后者反向移动。因此通常采用慢轴作为敏感轴,采用PM-PCF作为压力敏感单元时,在安装过程中必须区分敏感轴方向,这无疑给实际操作带来很多不便,所以我们采用特殊材料对敏感单元进行封装,封装后敏感单元灵敏度有很大提高且易于安装。

2.2 材料松弛实验

将光子晶体光纤置于单片80 mm×50 mm×0.8 mm的高分子垫层材料下,将两者置于材料试验机上下两加载平面夹具之间。由于材料试验机加载方式分为力控和位控两种,此处采用位移控制方式对垫层施加一定的预紧力,将垫层材料从0.8 mm的初始厚度压缩为0.28 mm保持此位移量,实时记录材料实验机的压力曲线和干涉谱波长偏移曲线,实验结果如图6所示。

图6 材料松弛实验曲线

图6中直线是材料试验机的压力数据值,抖动的曲线是测试系统检测的波长偏移值。两者进行对比发现下降趋势基本一致,但后者数据有一定的波动,分析原因是由于材料试验机上的位移传感器精度比力传感器精度低,其位移控制精度不够造成测试系统输出信号的抖动,通过此试验可以看出光子晶体光纤压力敏感单元可以探测出形变材料的松弛现象。

2.3 重复性试验

去高分子垫层材料,将带涂覆层、不带基底材料、敏感长度为65 mm的2根裸光纤PM-PCF平行安装于材料试验机加载平面内,进行压力加载实验,加载量程从0～350 N,再从350 N～0 N,步进25 N,往返3次,采用力控方式加压,速度为0.3 N/s,每一步进力保持30 s。

两根光纤平分压力值,在0～350 N的压力范围内,输出光谱的谱型良好,实验曲线见图7,可以看出在未封装未加垫层材料情况下,PM-PCF材料本身的重复性能良好。

图7 重复实验曲线

2.4 温度特性实验

为考核光子晶体光纤压力传感器温度特性,将其至于恒温箱中,温度从-50 ℃升高到50 ℃,步长为10 ℃。通过图8的实验曲线可以求出温度敏感系数为-11.8 pm/℃,与压力敏感系数相差几个数量级,所以这种传感器具有优良的抗温度干扰特性,可适用于温度变化剧烈的场合,且无需对传感器探头进行温度补偿,。

图8 温度特性实验曲线

3 总结

光子晶体光纤是一种新型材料,由纯石英材料制备,不但具有普通光纤的体积小、本质安全等特性,还具有高压力敏感性和低温度敏感性,使得其在工程应用方面具有其他光纤传感技术难以企及的优势。通过实验验证了光子晶体光纤可以实现大量程的横向压力监测,测量精度和压力敏感度高、线性度好,还具有优良的抗温度干扰性能。所以通过这种新技术可以解决某些狭小空间内的高精度压力在线监测难题,下一步还需通过大量实验对传感器探头结构优化、安装工艺等方面展开进一步研究工作,力求将这种先进的测试技术应用到实际工程中。

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On-Line Pressure Monitoring Method Based on Photonic Crystal Fiber*

ZHANGYi*,ZHUANGZhi,CHENYing

(Institute of Systems Engineering.CAEP,Mianyang Sichuan 621999,China)

In order to monitor inter layer pressures in especial compact structure,an on-line and embedded pressure monitoring method is proposed using a new type of material as sensing element,that is polarization-maintaining photonic crystal fiber(PM-PCF). Sensing model is analyzed and measurement system based on Sagnac interferometer is set up to do the calibration experiments. The experiment results show that the output interference fringes of measurement system are shifted linearly with pressures,the dynamic range of sensor is 0～10 kN,sensing precision is 2.6%,pressure sensitivity is 0.441 4 nm/kN,the strain relaxation phenomenon of cushion on the PM-PCF can be observed obviously,and the good repeatability of sensing element is validated by the experiment. The sensor has better engineering practicability and capability to restrain interference brought up by fluctuation of environment temperature,which temperature sensitivity is only -11.8 pm/℃.

fiber optic pressure sensor;photonic crystal fiber;sagnac interferometer;on-line monitoring;relaxation response;low temperature sensitivity

张 毅(1974-),女,汉族,中国工程物理研究院高级工程师,1997年7月毕业于电子科技大学检测技术及仪器专业,2002年12月获四川大学测试技术及仪器专业硕士学位,研究方向为光电检测技术。工作于中物院总体工程研究所,从事环境试验动态测试技术及环境试验装备技术研究工作,承担过多项科研工作,发表过科研论文几十余篇,其中核心和EI检索多篇,zyhjh2493293@sina.com;

庄 志(1973-),男,汉族,中国工程物理研究院高级工程师,1995年毕业于重庆大学自动化系检测技术及仪器专业,长期在中物院总体工程研究所从事环境试验静态测试技术研究,独立承担过多项静态测试技术方面的科研工作。

项目来源:国防技术基础项目(JSHS2012212A002)

2014-08-14 修改日期:2015-02-10

C:7230E;7320

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.001

TP212.9;TN247

A

1004-1699(2015)05-0613-04