基于游标效应的FBG阵列灵敏度增强研究

王 菊,赵 燕,刘继超

(燕京理工学院,河北 廊坊 065201)

1 引 言

应变和温度传感器是一类非常重要的物理量传感器,在大型建筑物健康结构安全监测、机器人、化学化工、食品安全、环境监测等领域具有非常广泛的应用[1-2]。光纤传感器以其结构简单、体积小巧、抗腐蚀、易远程监控、不受电磁辐射干扰等优点引起了科研人员的广泛关注[3-4]。因为及时监测温度和应变参数可以从侧面反映系统存在的安全隐患或是缺陷,以便及时采取补救措施,所以我们亟需一种有效监测光纤传感工具来实时监测温度和应变的变化。

FBG作为技术成熟、商用化最广泛的光纤传感器之一,大量应用在大坝、道路、桥梁等大型建筑的应变和温度检测中[5]。FBG具有制备工艺成熟,成品率高、成本低、易于集成、能工作于严苛环境下等众多优点,成为近年来研究的热点。FBG的温度灵敏度只有大约10 pm/ ℃,应变灵敏度只有大约1.1 pm/me[6]。因此,FBG的温度和应变灵敏度需要改善。游标效应是提升光纤传感器灵敏度的一种有效的方法[7-8],现在已经被广泛应用在光纤传感系统中[9-10]。游标效应用于放大叠加的传感光谱和参考光谱产生的共振峰的漂移,通过提取叠加光谱包络中心波长的变化解调出传感量的变化。目前,在法布里-珀罗干涉仪[11-12]、马赫-增德尔干涉仪[13]、萨格纳克干涉仪[14]、环形谐振器[7]等级联结构上已经成功地实现了游标效应。

等波长间隔的FBG阵列在一定波长范围内可以看作是周期性梳状光谱,通过级联一个与FBG阵列的波长周期有轻微差异的干涉仪,就产生光谱叠加实现对原有FBG温度和应变灵敏度的放大作用。基于上述思路我们提出了基于游标效应的FBG温度、应变灵敏度增强方法。

在本文中,我们提出了一种FBG阵列增敏方法,利用定标的LI透射光谱和FBG阵列的反射光谱叠加产生游标效应实现了FBG传感器温度和应变灵敏度的大范围提升。理论计算和实验均表明可以通过控制LI的FSR来调控FBG阵列传感器的温度和应变灵敏度。采用同时监测叠加光谱高频分量和包络光谱的方法解决了FBG阵列的温度和应变交叉敏感问题。在LI FSR为1.76 nm的情况下,本文提出的高灵敏度温度和应变传感器在温度和应变灵敏度方面与传统FBG传感器相比有较大提升。温度和应变分辨率分别为±0.0816 ℃和±0.0211 me。

2 基本原理及仿真

本文提出的基于LI和FBG阵列级联的高灵敏度温度、应变传感器结构示意图如图1所示。宽带自发辐射光源(Amplified spontaneous emission,ASE)发出的光经过LI。LI由两个起偏器和一段PMF组成,两个起偏器PMF的快轴和中间熔接的那段PMF快轴之间呈45 °,ASE光源发出的低偏光经过第一个起偏器后变成线偏振光,在第一个PMF 45 °熔接处,一部分线偏振光在快轴传输,一部分线偏振光在慢轴传输,在第二个PMF 45 °熔接处汇合。由于在PMF快慢轴传输的线偏振光存在光程差导致两束光之间存在相位差。两束光在第二个PMF 45 °熔接处发生干涉后经过第二个起偏器重新变为线偏振光,然后通过环形器进入FBG阵列。FBG阵列是由多个反射率相似,波长间隔相等的FBG组成。为了减小传感器尺寸,每个FBG的栅区长度为1 cm,且各个FBG紧挨在一起。FBG阵列的反射光谱通过环形器后进入光谱分析仪(Optical spectrum analyzer,OSA)。LI透射光谱作为游标效应的“主尺”,FBG阵列的反射光谱作为游标效应的“游标尺”,通过控制LI的FSR,使之与FBG阵列的类周期性反射光谱在细微差别,即可实现对传感信号的放大增强。

图1 LI与FBG阵列级联传感器示意图Fig.1 Schematic diagram of the proposed sensor cascaded with Lyot interferometer and FBGs array

LI的透射光谱可以表示为:

TLyot=sin2αsin2β+cos2αcos2β+

(1)

其中,α和β分别是两个起偏器的PMF快轴与中间那段PMF快轴之间的角度；Δφ是相对相位差。Δφ可以表示为:

(2)

其中,LPMF是两个光纤熔接点之间的距离；B是PMF的双折射系数；λ是入射波长。LI的FSR可以表示为:

(3)

LI的FSRLyot由B和LPMF决定。使用的PMF有确定的B值,所以通过改变PMF长度可以调节LI FSR。

ASE光源通过LI后会形成周期性干涉光谱,保证LI不受外界扰动影响就可以将LI产生的干涉谱作为参考光谱,即“主尺”。传输光通过FBG阵列后,在参考光谱的基础上会叠加FBG阵列的反射光谱,FBG阵列由多个等反射率等波长间隔的FBG组成,FBG阵列反射光谱可以看做是在特定波长范围内的类周期光谱,其FSR可以看作是FBG阵列的波长间隔。通过FBG阵列感受外界扰动,就可以将FBG阵列反射光谱作为传感光谱,即“游标尺”。

当LI光谱的第i级共振波峰的波长与FBG阵列第j个反射峰中心波长重合时,就会在重合波长位置形成一个叠加光谱上包络波峰极大值和下包络波谷极小。当LI光谱的共振波谷与FBG反射谱的反射峰中心波长重合时就会产生一个叠加光谱上包络波谷极小值和下包络波峰极大值。由于LI光谱的FSR和FBG阵列的波长间隔存在轻微差别,所以下一个叠加光谱包络极大值和极小值又会重复出现。最终在叠加光谱中产生周期性的光谱,通过对周期性叠加光谱提取包络,即可解调出外界的扰动。

在特定波长范围内,包络光谱的FSR可以表示为:

(4)

其中,FSRenv是包络光谱的FSR；DFBGs是FBG阵列的波长间隔。当对FBG阵列的各个FBG施加同样的温度或是应变的情况下,FBG阵列反射光谱将会发生反射波长漂移,但是FBG阵列的反射光谱波长间隔保持不变,相当于“游标尺”发生变化,而LI因为未受外界扰动,其光谱不发生变化,即“主尺”保持不变。因此包络光谱的漂移相当于被放大,包络光谱的放大倍数M可以表示为:

(5)

从上式可以看出改变LI中PMF长度就可以改变LI的FSRlyot,进而改变包络光谱放大倍数。

LI的透射光谱、FBG阵列的反射光谱和叠加光谱的仿真结果如图2所示。LI的FSR设置为为1.6 nm。LI透射光谱如图2(a)所示。FBG阵列的起始波长为1532 nm,截止波长为1566 nm,FBG数量为18个,波长间隔为2 nm。FBG阵列的反射光谱如图2(b)所示。LI的透射谱和FBG阵列反射谱相叠加,叠加光谱如图2(c)所示。对叠加光谱提取包络,从图2(c)中可以看出,上下包络均呈类周期结构。

图2 光谱的仿真结果Fig.2 Simulation results of the sensor spectrum

LI的透射光谱、FBG阵列的反射光谱和叠加光谱的实验结果如图3所示。LI的FSR大约为1.6 nm左右。两个起偏器PMF快轴和中间那段PMF快轴的夹角均为45 °。使用248 nm的KrF准分子激光器在SMF上制备FBG阵列,FBG阵列的起始波长为1533.4 nm,截止波长为1567.2 nm,FBG数量为18,波长间隔为2 nm左右。FBG阵列的反射光谱如图3(b)所示。LI的透射谱和FBG阵列反射谱相叠加,叠加光谱如图2(c)所示。对叠加光谱提取包络,从图3(c)中可以看出,上包络呈类周期结构,下包络较为杂散,这是因为FBG阵列反射光谱的底噪对叠加光谱产生影响。

图3 光谱的实验结果Fig.3 Experimental results of the sensor spectrum

3 实验结果与分析

对本文提出的灵敏度增强型光纤FBG传感器进行温度和应变实验的实验装置如图4所示。

图4 传感器实验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of the proposed fiber-optic sensor test system

两个起偏器的输出PMF分别与一段PMF的头尾相接,两个起偏器输出PMF的快轴与这段PMF快轴的夹角为45 °焊接,两个光纤熔接点之间的这段PMF的长度即为公式(3)中PMF的长度。首先将FBG阵列放入温箱进行温度实验,测量温度范围为30 ℃到80 ℃,温度的步长为5 ℃。然后将FBG阵列夹持在两个光纤夹具之间,两个光纤夹具的距离是1 m,每次位移10 μm,则施加在FBG阵列上的应变值为100 με。

我们首先测量了叠加光谱高频分量的温度响应。当LI的FSR为1.76 nm的时候,其中一个叠加光谱的高频分量光谱随温度变化如图5(a)所示。叠加光谱如5(a)插图所示。不同LI FSR情况下,叠加光谱高频分量共振峰中心波长随温度的变化如图5(b)所示。在LI的FSR分别为1.60 nm、1.70 nm、1.76nm的情况下,叠加光谱中高频分量谐振峰的温度灵敏度分别为9.0 pm/ ℃、8.7 pm/ ℃、7.3 pm/ ℃。

图5 温度变化过程中叠加光谱高频分量和 共振峰中心波长的变化Fig.5 Variation of high frequency component and central wavelength of resonance peak in the process of temperature change

我们对叠加光谱提取了上包络,当LI的FSR为1.76 nm的时候,上包络光谱的一个波谷随温度变化如图6(a)所示。上包络光谱和选取的波谷如图6(a)插图所示。不同LI FSR情况下,包络波谷中心波长随温度的变化如图6(b)所示。在LI的FSR分别为1.60 nm、1.70 nm、1.76nm的情况下,波谷的温度灵敏度分别为-55.05 pm/ ℃、-218.44 pm/ ℃、-241.60 pm/ ℃。根据公式(3),温度灵敏度放大倍数的理论计算值/实验值分别为5.0/5.5,6.7/21.8,8.3/24.2。温度灵敏度放大倍数的理论和实验值相对较为吻合。理论和实验值有些差异的主要原因是LI的透射光谱可能发生波动或是叠加光谱包络的提取算法可能需要继续改进。

图6 温度变化过程中叠加光谱包络和 共振峰中心波长的变化Fig.6 The change of the superposition spectrum envelope and the center wavelength of the resonance peak in the process of temperature change

之后测量了叠加光谱高频分量的应变响应。当LI的FSR为1.76 nm的时候,其中一个高频分量共振峰光谱随应变变化如图7(a)所示。叠加光谱如图7(a)插图所示。我们选择其中一个共振峰监测其中心波长。不同LI FSR情况下,共振峰中心波长随应变的变化如图7(b)所示。在LI的FSR分别为1.60 nm、1.70 nm、1.76nm的情况下,叠加峰中共振峰的应变灵敏度分别为0.80 pm/με、0.77 pm/με、0.91 pm/με。

对叠加光谱提取了上包络,当LI的为1.76 nm的时候,上包络光谱的一个波谷随应变变化如图8(a)所示。上包络光谱和选取的波谷如图8(a)插图所示。不同LI FSR情况下,波谷中心波长随应变的变化如图8(b)所示。在LI的FSR分别为1.60 nm、1.70 nm、1.76 nm的情况下,波谷的应变灵敏度分别为-6.88 pm/με、-11.70 pm/με、-13.42 pm/με。根据公式(3),应变灵敏度放大倍数的理论计算值/实验值分别为5.0/6.3,6.7/10.6,8.3/12.2。应变灵敏度放大倍数的理论和实验值较为吻合。

除了控制PMF的长度改变LI的FSR,进而改变传感器的灵敏度外,还可以改变FBG阵列的间隔波长。相对于掩膜版法制备FBG,飞秒激光刻写FBG除了能灵活控制FBG的反射波长还可以减小传感器的尺寸,使用飞秒激光刻写FBG不仅可以大大提高这种传感结构的灵活性,还能减小传感头尺寸。

图7 应变化过程中叠加光谱高频分量和 共振峰中心波长的变化Fig.7 Variation of high frequency component and central wavelength of resonance peak in the process of strain change

图8 应变变化过程中叠加光谱包络和 共振峰中心波长的变化Fig.8 The change of the superposition spectrum envelope and the center wavelength of the resonance peak in the process of strain change

温度和应变的交叉敏感问题是一个亟需解决的问题,交叉敏感问题限制了FBG阵列识别不同的外部环境扰动。从上面实验可以看出,包络波谷和叠加光谱的高频分量对温度和应变呈现不同的灵敏度。基于上述本文提出的传感器的独特特性,我们采用同时监测包络光谱和叠加光谱的高频分量的中心波长,既可以同时测量温度和应变。包络光谱波谷和叠加光谱高频分量谐振峰的波长变化与温度和应变的变化可以写成矩阵形式,可以表示为:

(6)

其中,Δλenv和Δλpeak是包络光谱波谷和叠加光谱高频分量的波长变化；Kenv,T和Kpeak,T是光谱波谷和叠加光谱高频分量的温度灵敏度；Kenv,ε和Kpeak,ε是光谱波谷和叠加光谱高频分量的应变灵敏度；ΔT和Δε分别是温度和应变变化。温度和应变分辨率可以表示为:

(7)

其中,z(ΔT)和z(Δε) 是包络光谱波谷和叠加光谱高频分量的波长分辨率。将当LI的FSR为1.76 nm时包络光谱波谷和叠加光谱高频分量的温度、应变灵敏度代入上式。我们使用的光谱仪为日本横河公司生产的AQ8603C,波长最小分辨率为0.02 nm,所以本文提出的高灵敏度温度、应变传感器的温度和应变分辨率为±0.0816 ℃和±0.0211 Δε。

4 结 论

本文提出了一种基于游标效应的高灵敏度FBG传感器,该传感器是通过将LI和FBG阵列级联而成,通过合理的设置LI的FSR和FBG阵列的波长间隔,使叠加光谱产生游标效应,通过解调叠加光谱的包络进而得到传感量的变化。本文通过仿真和实验证明了该光纤传感结构的游标效应。在LI FSR为1.76 nm、FBG阵列波长间隔为2 nm的情况下,本文提出的传感器温度灵敏度为-241.60 pm/ ℃,应变灵敏度为-13.42 pm/με。为了减小传感器的尺寸,可以采用飞秒激光刻写FBG阵列。为提高FBG传感器的灵敏度提供了一种新思路。