一种基于锥形石英毛细管的光纤法珀应变传感器

李 晶,孟立凡*,李 菠,刘春美

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.公安部第一研究所,北京 100048)

一种基于锥形石英毛细管的光纤法珀应变传感器

李 晶1,孟立凡1*,李 菠1,刘春美2

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.公安部第一研究所,北京 100048)

利用一种新型光纤法布里-珀罗干涉仪,制作出一种光纤应变传感器。通过将一段石英毛细管与单模光纤熔接在一起,并将石英毛细管熔接部位熔为锥形制作而成。理论分析了传感器的工作原理与灵敏度,搭建了传感器应变测试系统。实验表明:在常温(20 ℃)下,采用波峰(谷)追踪法解调,传感器对应变有良好的线性响应,且灵敏度为1.34 pm/με,最小应变分辨率为3.73 με,传感器的温度敏感系数约为5.66 pm/℃。因此,该传感器在应变测试中存在一定的潜在应用价值。

应变传感器;光纤;法布里-珀罗;石英毛细管

现代社会中,应变传感器被广泛地应用于大跨度桥梁、水坝、隧道等重要建筑的安全健康监测中[1-3]。光纤应变传感器因具有尺寸小、精度高、抗电磁干扰等优点,逐渐成为应变测试的重要研究内容[4-5]。目前,光纤应变传感器多种多样,主要包括基于光纤布拉格光栅[6-8]、法布里-珀罗干涉仪[9-11]、马赫-增德尔干涉仪[12-13]、光子晶体光纤[14]、光纤反射环[15]等的结构。

传统基于光纤布拉格光栅的应变传感器存在光纤灵敏度难以提高、温漂大等问题[6-7];基于马赫-增德尔干涉仪的应变传感器一般需要用到光纤错位焊接以及环路检测系统,加工难以控制[12,16];基于光子晶体光纤的应变传感器成本较高[14]。因此,光纤法珀应变传感器成为光纤应变传感器研究热点。目前,利用化学腐蚀[17-18]、电弧放电[10]、光子晶体光纤应用[14,19]等技术制作出了各种结构的光纤法珀应变传感器,不同的结构也表现出了不同的优缺点。

本文设计了一种基于锥形石英毛细管的光纤法珀应变传感器,分析了传感器的工作原理和理论应变灵敏度,测试了传感器的应变响应,并分析了温度对传感器零位输出的影响。传感器结构简单、加工方便、成本低廉。

1 光纤法珀应变传感器的结构和加工

图1(a)为传感器结构示意图。它的制作过程为:(1)首先用光纤切割刀将单模光纤SMF(Single Mode Fiber)(Corning,SMF-28)和石英毛细管端面切平;(2)用光纤熔接机(FITEL,S183 version 2,Japan)将单模光纤与石英毛细管熔接在一起;(3)在显微镜下将石英毛细管切断,并保留其适当长度。其中SMF的直径为125 μm,纤芯直径为9 μm;石英毛细管内外径分别为125 μm和22 μm。在熔接时,适当增强放电强度和时间,使石英毛细管前端塌陷为锥形。熔接经验表明,当光纤熔接机初始和结束放电强度为100 unit,放电时间为600 ms时,石英毛细管最前端内径为5 μm左右。为方便传感器后续固定,石英毛细管长度保留较长。图1(b)为电子显微镜下传感器侧面与截面图,石英毛细管长度为2 191 μm。

图1 传感器结构示意图和传感器侧面与截面图

图2 传感器干涉光谱图

2 光纤法珀应变传感器的光学干涉原理

光沿SMF传播时,90%以上的光能量分布在纤芯中。在光纤-石英毛细管反射面(R1)处,由于锥形区域前端内径小于光纤纤芯直径,纤芯中一部分光在锥形区域的前端反射,纤芯中剩余的光和包层中的光进入石英毛细管,在石英毛细管端面(R2)反射。两部分反射光进入光纤中,相互干涉,形成干涉条纹。根据文献[10],干涉条纹可以由式(1)得到

(1)

式中:I1和I2分别为光在R1面和R2面的反射光强,其值与反射面的反射率和锥形区域前端内径有关;φ为两部分光的相位差,可以由式(2)得到

φ=4πnL/λ

(2)

式中:n为石英毛细管的折射率,L为石英毛细管的长度,即法珀腔的腔长,λ为光的波长。图2为石英毛细管长度为2 191 μm时的干涉光谱图。从图2可以看出,干涉光谱强度为-39 dB,对比度为7 dB左右,且纤细度较高。

3 光纤法珀应变传感器的工作原理及灵敏度分析

从式(1)可以看出,当干涉光谱达到最小值时,即光在波谷位置时,相位满足

φm=4πnL0/λm=(2m+1)π

(3)

式中:L0为法珀腔的初始腔长,m为整数,λm为干涉光谱第m级波谷位置处的光波长。

当有应变作用在法珀腔上时,法珀腔腔长会发生变化。根据式(1)和式(2)以及模拟仿真可知,干涉光谱会发生左右移动。传感器法珀腔腔长的变化可以由式(4)得到

ΔL=ηΔεL0

(4)

式中:Δε为悬臂梁单位长度上产生的应变,η为应变从悬臂梁传递到传感器上的传递系数,且η≤1。当第m级干涉波谷波长从λm移动到λm+Δλm时,相位仍为同一级的相位,即满足

(5)

将式(4)代入到式(5)中,可以简化得到应用波峰(谷)追踪解调方法时应变传感器的灵敏度为

Δλm/Δε=ηλm

(6)

从式(6)可知,如果选择波长为1 550 nm附近的波峰(谷)进行解调,传感器的最大灵敏度为1.55 pm/με,此时应力传递系数η=1。

4 光纤法珀应变传感器的实验测试

图3(a)为传感器应变测试系统示意图。使用应变胶(KYOWA,#2129,Japan)将传感器粘结在等强度悬臂梁上,悬臂梁末端连接重物,使悬臂梁产生应变。传感器末端光纤连接激光扫描式光谱分析仪OSA(Optical Spectrum Analyzer)(Micron Optics Inc.,SM125,America)和电脑,OSA的扫描范围为1 510 nm～1 590 nm,扫描精度为5 pm。图3(b)为传感器与悬臂梁装配俯视示意图,悬臂梁材料为黄铜片,等腰三角形结构使悬臂梁表面各个点的应变相等。悬臂梁上的应变可以由式(7)得到

(7)

式中:E为悬臂梁材料弹性模量,l、b和h分别为悬臂梁的长度、宽度和厚度,m为重物的质量,g为重力加速度。

为避免测试误差,我们制作了法珀腔腔长分别为1 823 μm和2 207 μm的两个样本传感器(样本1和样本2)分别进行了测试。测试环境温度约为20 ℃。

图3 传感器测试系统示意图和传感器与悬臂梁装配俯视示意图

图4 样本1和样本2的传感器光谱移动图

按照图3(a)的系统安装图,将传感器粘结在悬臂梁上,末端重物以15 g为步进增加至180 g,相应的应变从0 με变化至385 με。记录不同重物时传感器的干涉光谱。图4(a)和图4(b)分别为样本1和样本2传感器从0 με变化至321 με时的光谱。从图4可以看出,当应变逐渐增加时,干涉光谱逐渐往长波长方向发生移动。选择干涉光谱在1 566 nm附近处的波谷进行记录。

图5为传感器波长移动与应变关系图。从图5可以看出传感器对应变具有良好的线性响应,样本1和样本2的响应灵敏度分别为1.34 pm/με和1.10 pm/με,拟合系数分别为99.72%和99.79%。这与传感器最大灵敏度的理论值1.566 pm/με比较接近。此时,两只传感器应变传递系数分别为85.57%和70.24%。结合OSA的扫描精度,两样本传感器能分辨的最小应变精度分别为3.73 με和4.55 με。

图5 传感器应变响应特性

为了研究传感器对温度的响应,我们将传感器置于马弗炉(Nabertherm,sn209012,Germany)中,并设置马弗炉的温度从室温(20 ℃)升至100 ℃,每次步长10 ℃并保温5 min,记录传感器的干涉光谱。图6为传感器光谱移动与温度关系图。从图6可以看出传感器对温度变化有很好的线性响应,传感器样本1和样本2的温度灵敏度分别为5.66 pm/℃和 5.62 pm/℃。传感器应变-温度交叉系数为4.22 με/℃ 和5.10 με/℃。

图6 传感器温度响应特性

5 结束语

本文利用一种新型的法珀干涉仪,制作出了一种光纤应变传感器。理论分析了传感器的干涉原理和采用波峰(谷)追踪法解调时的应变灵敏度。将传感器粘结在等强度悬臂梁上进行实验测试,结果表明常温下传感器对应变有良好的线性响应。实验还测试了传感器的温度敏感系数,分析了温度误差。实验表明传感器具有潜在的应用价值。

[1] 毕卫红,郑绳植. 光纤法布里-珀罗干涉式应变的测量[J]. 光子学报,1999,28(6):542-545.

[2] 单崇雷. 基于光纤光栅传感技术的井筒在线监测应用[J]. 矿业工程研究,2016,31(1):6-10.

[3] Deng M,Tang C P,Zhu T,et al. PCF-Based Fabry-Pérot Interferometric Sensor for Strain Measurement at High Temperatures[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(11):700-702.

[4] 李志全,朱丹丹. 一种新型光纤法布里-珀罗应变干涉仪[J]. 光学技术,2003,29(4):418-419.

[5] Zhang L,Liu Y M,Gao X L,et al. High Temperature Strain Sensor Based on a Fiber Bragg Grating and Rhombus Metal Structure[J]. Applied Optics,2015,54(28):109-112.

[6] Li K,Zhou Z A. A High Sensitive Fiber Bragg Grating Strain Sensor with Automatic Temperature Compensation[J]. Chinese Optics Letters,2009,7(3):191-193.

[7] Frazão O,Silva S,Guerreiro A,et al. Strain Sensitivity Control of FIBER BRAGG GRATING STRUCtures with Fused Tapers[J]. Applied Optics,2007,46(36):8578-8582.

[8] 李立新,吴飞,蔡璐璐等. Bragg光纤光栅法布里-珀罗应变传感器研究[J]. 传感技术学报,2006,19(3):806-809.

[9] Ferreira S M,Roriz P,Bierlich J,et al. Fabry-Perot Cavity Based on Silica Tube for Strain Sensing at High Temperatures[J]. Optics Express,2015,23(12):16063-16070.

[10] Liu S,Wang Y P,Liao C R,et al. High-Sensitivity Strain Sensor Based on in-Fiber Improved Fabry-Perot Interferometer[J]. Optics Letters,2014,39(7):2121-2124.

[11] Yin C C,Cao Z G,Zhang Z,et al. Temperature-Independent Ultrasensitive Fabry-Perot All-Fiber Strain Sensor Based on a Bubble-Expanded Microcavity[J]. IEEE Photonics Journal,2014,6(4):1-9.

[12] Choi H Y,Kim M J,and Lee B H. All-Fiber Mach-Zehnder Type Interferometers Formed in Photonic Crystal Fiber[J]. Optics Express,2007,15(9):5711-5720.

[13] Men L Q,Lu P,and Chen Q Y. Femtosecond Laser Trimmed Fiber Taper for Simultaneous Measurement of Axial Strain and Temperature[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(5):320-322.

[14] 饶云江,黎宏,朱涛等. 基于空芯光子晶体光纤的法-珀干涉式高温应变传感器[J]. 中国激光,2009,39(6):1484-1488.

[15] Sheng X J,Zhao Y,Zhao F. A Novel Temperature and Strain Sensing Method Based Onhigh-Birefringence Fiber Loop[J]. Optik,2014(125):5254-5256.

[16] Cao Z G,Zhang Z,Ji X C,et al. Strain-Insensitive and High Temperature Fiber Sensor Based on a Mach-Zehnder Modal Interferometer[J]. Optical Fiber Technology,2014,20:24-27.

[17] Pevec S,Donlagic D. All-Fiber,Long-Active-Length Fabry-Perot Strain Sensor[J]. Optics Express,2011,19(26):15641-15651.

[18] Tafulo P,Jorge P,Santos J L,et al. Fabry-Pérot Cavities Based on Chemical Etching for High Temperature and Strain Measurement[J]. Optics Communications,2012,285:1159-1162.

[19] Ferreira M,Bierlich J,Kobelke J,et al. Towards the Control of highly Sensitive Fabry-Pérot Strain Sensor Based on Hollow-Core Ring Photonic Crystal Fiber[J]. Optics Express,2012,20(20):21946-21952.

Fiber-OpticFabry-PerotStrainSensorBasedonTaperedSilicaCapillaryTube

LIJing1,MENGLifan1*,LIBo1,LIUChunmei2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.The First Research Institute of Ministry of Public Security,Beijing 100048,China)

A fiber-optic strain sensor is fabricated by adopting a novel fiber-optic Fabry-Perot interferometer,which is fabricated by fusing a section of silica capillary tube to a single mode fiber(SMF)and collapsing the silica capillary tube at around the fusion point to be taper. Operating principle and sensitivity of the strain sensor are analyzed in theory. Corresponding strain measurement system is constructed. The experimental results show the sensor has a linear response to strain with a sensitivity of 1.34 pm/με at room temperature(20 ℃)by adopting the modulation of tracking wavelength peak or valley. The minimum strain resolution is 3.73 με. The temperature sensitivity is about 5.66 pm/℃. Thus the sensor has potential to be applied in the measurement of strain.

strain sensor;optical fiber;Fabry-Perot;silica capillary tube

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.011

2016-10-23修改日期2016-12-19

TP212

A

1005-9490(2017)06-1383-04

李晶(1990-),女,硕士研究生,研究方向为测试计量技术及仪器,lijing1510101@163.comm;

孟立凡(1955-),女,通信作者(导师),汉族,中北大学教授,研究领域为测试计量技术及仪器,menglifan@nuc.edu.cn。