低温环境光纤光栅反射光谱感应特性研究

冯翔宇，曾 捷，李 钰，李志慧，龚晓静，张旭苹，马 驰，周 林

（1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京210016；2.上海卫星装备研究所，上海200240；3.图卢兹大学法国国家科学研究中心航空结构实验室，法国图卢兹；4.南京大学 光通信工程研究中心，江苏南京210008）

低温环境光纤光栅反射光谱感应特性研究

冯翔宇1，曾 捷1，李 钰2，李志慧2，龚晓静3，张旭苹4，马 驰1，周 林1

（1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京210016；2.上海卫星装备研究所，上海200240；3.图卢兹大学法国国家科学研究中心航空结构实验室，法国图卢兹；4.南京大学 光通信工程研究中心，江苏南京210008）

为提升光纤光栅低温传感性能，对低温环境中光纤光栅反射光谱响应特性进行了研究。建立了低温模拟环境光纤光栅传感器反射光谱响应试验系统。分别对不同温度下自由状态有／无涂覆层、不同胶接状态的光纤光栅反射光谱低温响应特性进行了实验研究，分析了半波展宽、反射波峰幅值和偏移量等性能。结果表明：涂覆层与胶粘液属性均会不同程度影响光栅栅区受力的均匀性，造成波峰分裂或旁瓣等啁啾现象。基于光栅低温啁啾效应产生机理，研制了一种封装结构光纤光栅传感器，用聚合物对无涂覆层光纤光栅进行封装，基片为低热膨胀系数的合金材料，胶粘剂为高性能紫外胶。试验表明：该传感器有良好低温响应特性，反射光谱平滑，且基本无旁瓣。

光纤光栅；低温环境；反射光谱；非均匀应变；啁啾现象；旁瓣；胶液；封装

0 引言

航天器结构通常处于低温、强辐射、真空等恶劣服役环境，这对用于其服役状态实时监测的传感器性能提出很高要求。常规电阻应变计因存在磁阻效应需要复杂的屏蔽封装，不易大规模布点测量。在热电偶测温场合，大量传输线缆不仅增加系统质量，甚至还会改变结构刚度或固有频率［1－2］。光纤光栅（FBG）传感器具有体积小、柔韧性好、抗电磁干扰、易于分布式测量，以及适于埋入材料内部等优点，已成为航天器结构健康监测领域研究的热点［3－6］。文献［7］研究了光纤光栅在温度2～400K的传感特性，低温下光栅中心波长与温度间呈非线性关系。文献［8］发现在低温下FBG的反射光谱会出现多峰现象，并将此反常现象归因于低温下光纤微结构及光学性质的变化。文献［9］研究了液氮环境中光纤光栅的静态传输特性，确定了液氮温度下悬臂梁应变与光纤光栅中心波长偏移量间的关系。上述研究主要侧重于低温环境光纤光栅传感器灵敏度响应特性，并已取得较好成果。由于空间低温环境中涂覆层与胶粘液易造成光纤光栅栅区局部受力不均匀，进而引起反射光谱旁瓣增大，甚至多峰等啁啾现象。基于此，本文分别研究有／无涂覆层的光纤光栅传感器、胶粘液属性对反射光谱低温响应特性的影响，分析光栅低温啁啾效应产生机理。在此基础上，研究了适于低温环境的封装结构光纤光栅传感器，并开展了相关低温环境试验。

1 FBG传感原理

光纤布拉格光栅是利用光纤材料光敏性在纤芯形成空间相位光栅，属于一种反射型光纤传感器，仅反射某个特定波长附近的窄带光波，其基本公式为

式中：λ为反射光谱中心波长；n为纤芯平均有效折射率；Λ为光栅周期［10］。当FBG所处位置温度场或应变场变化时，反射光谱中心波长会随之而变。

当光纤光栅传感器仅受应力作用时，Λ，n与栅区所受应变ε关系分别为

式中：ΔΛ，Δn分别为Λ，n的变化量；Pe为光弹系数。

当光纤光栅传感器仅受温度作用时，其有效折射率、应变与温度T间的关系分别为

式中：α为热膨胀系数；ξ为热光系数。

当光纤光栅传感器同时受温度与应变作用时，反射光谱中心波长偏移量Δλ与应变Δε和温度变化ΔT关系分别为

式中：Kε，KT分别为应变和温度灵敏度系数［11］。当光栅栅区受均匀应变或温度载荷时，FBG反射光谱平滑且较为对称；当光栅栅区受非均匀应变或温度载荷时，反射光谱存在波峰展宽、反射率降低甚至多峰等啁啾现象。

2 试验

建立低温模拟环境光纤光栅传感器反射光谱响应实验系统，该系统由CH250C环境试验箱、ASE宽带光源、AQ6317光谱分析仪、PT100铂电阻、光纤光栅解调仪和计算机等组成。

研究中用相位掩膜法技术写入的光栅，即利用相位光栅掩模近场衍射产生的干涉条纹在光纤中形成折射率周期性变化的Bragg光栅，分别研究有／无涂覆层光纤光栅对应的反射光谱，并用AB胶、共和胶将无涂覆层光纤光栅粘贴于试件表面，以考察胶粘液属性对反射光谱响应特性的影响。

将基于不同光栅结构和胶接方法的光纤光栅传感器置于试验箱，试验箱温度－75～－10℃。光谱测量原理如图1所示，宽带光波信号经耦合器进入处于低温环境的光纤光栅传感器，由光纤光栅形成的反射光谱信号进入光谱分析仪。

3 试验结果与讨论

3.1 自由状态光纤光栅反射光谱低温响应特性

实验所得低温环境中处于自由状态的无／有涂覆层光纤光栅传感器反射光谱在不同温度下响应特性曲线分别如图2、3所示。

由图2可知：随着温度降低，无涂覆层光纤光栅反射光谱呈现向低波长方向平移趋势，光谱较平滑，且无旁瓣，这表明无涂覆层光纤光栅在低温下仍具有良好的传感性能；有涂覆层光纤光栅在低温下光谱存在明显旁瓣，特别是当温度降至－70℃时，其反射光谱带宽明显变宽，光谱能量降低。这是因为有涂覆层光纤光栅外侧的涂覆层热膨胀系数与光栅热膨胀系数存在差异，当外界环境温度变化时，栅区受到非均匀应变作用，导致反射光谱出现畸变，从而影响其传感性能。低温环境中不同温度下有／无涂覆层光纤光栅的灵敏度如图4所示。由图4可知：有涂覆层的光纤光栅温度灵敏度约9.4pm／℃，略高于无涂覆层光纤光栅传感器，但其线性度略劣于无涂覆层光纤光栅传感器。

3.2 不同胶接下光纤光栅反射光谱低温响应特性

为研究粘贴后的光纤光栅在不同低温环境中的光谱响应特性，分别用AB胶、共和胶将无涂覆层光纤光栅粘贴于试件表面。结果表明：用AB胶粘贴的无涂覆层光纤光栅存在波峰分裂，且随着温度减低，反射光谱呈现幅值下降、半波宽度显著增加等特点，如图5所示。

不同温度下用AB胶粘贴的无涂覆层光纤光栅传感器的半波峰带宽如图6所示。由图6可知：随着温度降低，光栅反射光谱半波峰带宽显著增加，且呈现指数函数趋势。－70℃时，光纤光栅半波峰带宽约0.42nm，而在常温下光纤光栅半波峰带宽一般小于0.3nm，这表明低温环境中此种胶液属性易引起光纤光栅反射光谱啁啾现象。

用共和胶粘贴于试件结构的无涂覆层光纤光栅反射光谱未出现明显波峰分裂现象，但反射光谱旁瓣呈现一定突出，如图7所示。这是因为共和胶本身低温特性较好，且胶液轻薄匀称，且热膨胀系数较小。

图5、7中所示的光纤光栅传感器低温下反射光谱均存在不同程度啁啾现象，这主要是由栅区受力非均匀造成的。当栅区受非均匀温度T（z）或应力载荷ε（z）时，各位置栅格发生非均匀伸缩，各有效作用子栅集反射出不同波长子反射谱。由于各子反射谱间距相对其带宽较小，子谱间大部分重叠，最终形成啁啾反射谱［12］。

在实际胶接过程中，光纤光栅、粘胶剂及基底的热膨胀系数存在差异，当温度变化时，栅区易受不同材料间相互约束引起的非均匀弹性应变。此外，栅区粘胶层厚度不均匀也会导致栅区受力不均匀。

3.3 封装光纤光栅反射光谱低温响应特性

为消除低温环境啁啾效应对光栅反射光谱的负面影响，用聚合物对无涂覆层光纤光栅进行封装，如图8所示。封装采用热膨胀系数较低的合金材料作为基片，其在量程内无屈服现象。基片起到应变传递作用，用于降低光纤光栅热弹性应变水平及其受力非均匀性。胶粘剂选用力学性能较好，粘稠度适中，且易于挂胶的高性能紫外胶。

将基片封装型光纤光栅置于环境试验箱，测得低温反射光谱响应特性如图9所示。由图9可知：封装光纤光栅反射光谱随温度降低向低波长方向均匀平移，无明显旁瓣，具有良好的应变传递效果。

分别将自由状态及粘贴于铝合金试件的封装光纤光栅传感器置于环境试验箱，用光纤光栅解调仪记录不同温度下光栅中心波长，结果如图10所示。图10中：红色实线圆形标识表示处于自由状态的封装光纤光栅传感器中心波长偏移曲线。该传感器可用于温度测量，有良好线性度，其温度灵敏度约15.2pm／℃，而粘贴于铝合金试件的封装光纤光栅传感器温度灵敏度28.3pm／℃。经温度补偿，可得温度－70～－20℃范围内，铝合金试件所受热应变引起中心波长偏移量约640.2pm。

3.4 不同胶接与封装形式反射光谱低温特性比较

在低温环境－70℃下，不同胶接条件的无涂覆层光纤光栅反射光谱如图11所示。由图11可知：用AB胶粘贴的无涂覆层光纤光栅反射光谱能量幅值相对较小，不仅存在半波展宽，而且呈现波峰开裂等啁啾现象；用共和胶粘贴的无涂覆层光纤光栅反射光谱虽然半波宽度显著减小，但仍存在一定旁瓣；用共和胶粘贴封装光纤光栅反射光谱幅值较高，不仅半波展宽显著缩小，而且谱形较光滑，应变传递性能优于其它胶接与封装形式。

4 结束语

本文针对航天器空间服役状态监测需求，通过实验研究了不同胶接结构形式的光纤光栅低温反射光谱特性，分析了光栅啁啾效应产生机理，对提升光纤光栅传感器低温传感特性有一定的参考意义。研究发现：低温下处于自由状态的含涂覆层光纤光栅反射光谱有明显旁瓣，这主要是由涂覆层与纤芯热膨胀系数不同引起的栅区受力不均所致，而无涂覆层光纤光栅反射光谱较平滑，且基本无旁瓣；用AB胶粘贴的无涂覆层光纤光栅反射光谱随温度降低存在波峰分裂、幅值下降及半波展宽等现象，这是由于粘胶剂与纤芯热膨胀系数差异造成栅区非均匀应变，用共和胶粘贴的无涂覆层光纤光栅反射光谱未出现明显波峰分裂，但存在旁瓣；基于低热膨胀系数基片封装的光纤光栅有良好低温响应特性，其反射光谱平滑且无旁瓣，一定程度消除了啁啾现象，还可实现热载荷下的结构应变监测，为后续航天器空间环境服役状态在轨监测提供了可能。为进一步消除由超低温效应引起的光纤光栅栅区非均匀应变造成的啁啾现象，后续可考虑对用模式辨识算法实现对低温环境中非均匀应变作用下光纤光栅反射光谱特征参量辨识进行研究，以进一步提升传感器测量精度。

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Study on Reflection Spectrum Characteristic of Fiber Bragg Grating under Low Temperature Environment

FENG Xiang－yu1，ZENG Jie1，LI Yu2，LI Zhi－hui2，GONG Xiao－jing3，ZHANG Xu－ping4，MA Chi1，ZHOU Lin1
（1.State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu，China；2.Shanghai Institute of Spacecraft Equipment，Shanghai 200240，China；3.French National Center for Scientific Research，Universitéde Toulouse，Toulouse France；4.Institute of Optical Communication Engineering，Nanjing University，Nanjing 210008，Jiangsu，China）

To improve sensing performances of fiber Bragg grating in low temperature environment，the reflection spectrum characteristic of fiber Bragg grating under low temperature environment was studied in this paper.The experiment system of reflection spectrum characteristic of fiber Bragg grating under low temperature simulation environment was established.The reflection spectrum characteristics of the fiber Bragg grating with／without coating and within various glue pasted were studied under different low temperatures.The half wave broadening，reflection wave amplitude and offset were analyzed.It found that the coating layer and adhesive mucus properties would affect the uniformity of the grating force in different degree，which could cause chirp phenomenon such as wave splitting and sidelobe.Based on the analysis of the mechanism of chirp effect of the grating at low temperature，a novel fiber Bragg grating strain sensor encapsulation was developed.The no coating sensor was encapsulated by polymer.The chip was made of alloy material with low coefficient of thermal expansion.The adhesive was ultraviolet glue with high performance.The test showed that this sensor had the characteristic of good low temperature response and reflection spectrum which was smooth with no sidelobe.

fiber Bragg grating；low temperature environment；reflection spectrum；non－uniform strain；chirp phenomenon；sidelobe；glue；encapsulation

TN253

A

10.19328／j.cnki.1006－1630.2017.01.004

1006－1630（2017）01－0027－05

2016－07－18；

2016－08－15

国家自然科学基金－联合基金资助（U1537102）；上海航天科技创新基金资助（SAST2015062）

冯翔宇（1992—），女，硕士生，主要研究方向为新型光纤传感技术及其应用。