趙學(xué)芳， 王新淮， 董新永

(中國計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于腰椎放大熔接的FBG熱線式風(fēng)力計(jì)*

趙學(xué)芳， 王新淮， 董新永

(中國計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018)

提出了一種基于腰椎放大熔接和光纖Bragg光柵(FBG)的熱線式風(fēng)力計(jì)，傳感結(jié)構(gòu)由表面鍍金屬銀膜的FBG和腰椎放大光纖熔接點(diǎn)構(gòu)成。腰椎放大熔接點(diǎn)將高功率的泵浦激光由纖芯耦合到光纖包層，被鍍銀膜吸收產(chǎn)生熱量，從而使FBG的溫度升高。當(dāng)氣流經(jīng)FBG時(shí)，部分熱量會(huì)被帶走，導(dǎo)致FBG的溫度降低。FBG的中心波長隨溫度的變化而變化，因此,通過測(cè)量FBG波長的漂移即可以測(cè)得氣流速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:此FBG熱線式風(fēng)力計(jì)的測(cè)量范圍為0～13.7 m/s，靈敏度和分辨率分別可達(dá)1.0 nm/(m/s)和0.001 m/s。

熱線式風(fēng)力計(jì)； 光纖Bragg光柵； 腰椎放大熔接點(diǎn)； 光纖傳感

0 引 言

近幾年，光纖傳感器因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊及成本低等特性，吸引了很多研究者的注意[1～3]。光纖Bragg光柵(FBG)是一種新型的光纖器件，其通過Bragg反射波長隨被測(cè)參量的變化來獲取傳感信息。近年來，研究人員提出了多種基于FBG的熱線式流量傳感器方案，即可采用在光纖內(nèi)部摻入金屬元素或者在FBG表面鍍金屬膜的方法，制成光纖光柵傳感探頭，此傳感探頭能夠利用高功率激光器進(jìn)行自身的加熱，從而達(dá)到熱線的效果[4]。美國匹茲堡大學(xué)首先提出利用大功率激光器對(duì)FBG進(jìn)行溫度調(diào)制[5]的設(shè)計(jì)，先要在FBG的表面鍍上一層金屬薄膜，在鍍膜的FBG前面，一個(gè)多模光纖與其相連，由于單模光纖的纖芯直徑比多模光纖的纖芯直徑要小，因此，當(dāng)光從多模光纖傳輸至單模光纖中時(shí)，其中大部分的激光將會(huì)被耦合到單模光纖的包層中，然后被金屬薄膜吸收產(chǎn)生熱量，從而提高FBG的初始溫度。但是泵浦激光的耦合效率有限，導(dǎo)致其測(cè)量范圍較窄。2011年，葡萄牙的Caldas P等人[6]用長周期光纖光柵(LPG)取代多模光纖也實(shí)現(xiàn)了FBG熱線式風(fēng)速傳感。但LPG對(duì)溫度和彎曲敏感，泵浦激光耦合的穩(wěn)定性不好。同年，浙江大學(xué)[7]提出將FBG刻寫在摻鈷光纖上，利用鈷吸收泵浦激光產(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)熱線式流量測(cè)量，可有效提高激光的耦合效率和穩(wěn)定性。然而，由于摻鈷光纖價(jià)格昂貴，并且在摻鈷光纖上刻寫光柵過程復(fù)雜，因此，應(yīng)用較難。2012年，本課題組提出在鍍銀FBG之前引入光纖錯(cuò)位熔接結(jié)構(gòu)的方法[8]，獲得了穩(wěn)定高效的激光耦合，實(shí)現(xiàn)了最高精確度0.022 m/s的風(fēng)速測(cè)量。但該方法中光纖錯(cuò)位熔接結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度不高，另外，F(xiàn)BG的啁啾效應(yīng)明顯，依然需要改進(jìn)。

本文在前期工作基礎(chǔ)上，提出了一種基于腰椎放大光纖熔接結(jié)構(gòu)的新型FBG的風(fēng)力計(jì)，將腰椎放大光纖熔接結(jié)構(gòu)作為泵浦激光耦合器，獲得了較高的耦合效率和穩(wěn)定性，同時(shí)保持了光纖良好的機(jī)械強(qiáng)度。

1 傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)原理

新型光纖光柵風(fēng)力計(jì)的傳感結(jié)構(gòu)如圖1所指示，包括一個(gè)腰椎放大熔接區(qū)域[9～11](使用Fujikura的FSM—60s熔接機(jī))和一個(gè)表面鍍銀膜的FBG。FBG是用倍頻氬離子激光器采用相位模板技術(shù)刻寫而成，其長度為4 mm，中心波長為1 549.36 nm，反射率為98 %，3 dB帶寬為0.32 nm。光纖腰椎最放大處距離FBG大約為1 mm，熔接區(qū)域的顯微鏡照片如圖1(a)。熔接完畢后，利用真空蒸鍍法在FBG表面鍍上一層約為120 nm厚的金屬銀。為了防止金屬銀被空氣氧化，在銀膜表面上鍍一層厚度為100 nm的石英層。

圖1 腰椎放大的顯微鏡照片和傳感頭結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Micrograph view of waist-enlarged fiber bitaper andstructure diagram of sensing probe

高功率泵浦激光器與傳感探頭連接，腰椎放大結(jié)構(gòu)將泵浦激光的絕大部分能量耦合進(jìn)光纖包層中，然后被銀膜吸收產(chǎn)生熱量，從而提高FBG的初始溫度，使FBG的中心波長向長波方向漂移。當(dāng)氣流經(jīng)過時(shí)，F(xiàn)BG周圍的部分熱量會(huì)被帶走，導(dǎo)致溫度降低直至形成新的熱平衡狀態(tài)，F(xiàn)BG的中心波長隨溫度降低而向短波方向漂移。波長漂移量將由熱平衡溫度決定，即由氣體的流速?zèng)Q定。因此，通過檢測(cè)FBG波長的漂移量，即可獲得氣體的流速。

根據(jù)熱交換定理和熱線風(fēng)速計(jì)的原理，物體達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，可得平衡狀態(tài)方程如下

(1)

其中,aAg為銀膜對(duì)泵浦激光的吸收系數(shù)，φ為腰椎放大熔接點(diǎn)的耦合效率，Pinput為激光的輸入功率，A和B為經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)常數(shù)，v為風(fēng)速，T(v)為風(fēng)力計(jì)的溫度，Te為環(huán)境的溫度，則T(v) 與v的關(guān)系可表示為

(2)

假設(shè)風(fēng)速為零時(shí)激光泵浦下FBG的中心波長為λ0，F(xiàn)BG的波長漂移λ-λ0隨溫度變化的關(guān)系為

λ-λ0=k(T(v)-Te)λ0,

(3)

式中 k為FBG的溫度系數(shù)。由以上可以得出FBG的波長λ與風(fēng)速v的關(guān)系式

(4)

2 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)洞口徑為60cm×60cm，將風(fēng)力計(jì)放置于此風(fēng)洞的出口中央處，風(fēng)速可以通過風(fēng)洞裝置在0～20m/s的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。激光器的波長為1 480nm，其最大輸出功率為340mW。通過1 480/1 550nm的波分復(fù)用器(WDM)，激光器連接到傳感頭。光纖環(huán)行器(OC)一端連接寬帶光源(BBS)與傳感頭，另外一端連接光譜儀或FBG解調(diào)儀，其中解調(diào)儀的波長分辨率為1pm。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig 2 Experimental device

圖3(a)是在沒有氣體流過時(shí)，泵浦激光在打開前和打開后FBG的反射譜圖。從圖中可以看到，F(xiàn)BG的反射譜在泵浦激光打開后向長波長方向漂移了1.2nm，這是由于泵浦激光對(duì)其的加熱效應(yīng)所致。由于FBG的溫度靈敏系數(shù)約為10pm/ ℃，可以推斷此時(shí)傳感頭的溫度比環(huán)境溫度高120 ℃左右。同時(shí)，可以觀察到FBG的反射譜形狀也有一定的改變，且反射率下降了5 %，此種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于泵浦激光在對(duì)FBG加熱過程中，加熱不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生了啁啾效應(yīng)。

圖3(b)為在沒有氣體流過時(shí)，F(xiàn)BG反射波長隨激光功率的變化情況?？梢钥闯觯行牟ㄩL漂移量與泵浦激光功率具有較好的線性關(guān)系，該線性曲線斜率為3.4pm/mW。實(shí)驗(yàn)中為了使FBG波長具有最大初始漂移量，將激光功率輸出值固定在340mW。

圖3 激光打開和關(guān)閉時(shí)FBG的反射譜圖和FBG反射波長隨激光功率的變化Fig 3 Reflection spectra of FBG with and without laser heating and reflected wavelength of FBG change with laser power

圖4為FBG風(fēng)力計(jì)在不同風(fēng)速下的反射光譜。為消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的干擾，實(shí)驗(yàn)過程中保持環(huán)境溫度恒定。由圖可以看出，氣體流速越大，F(xiàn)BG的波長改變量越大。這是因?yàn)闅饬魉俣仍龃蟮耐瑫r(shí)，帶走的熱量也隨之增大，使得FBG的溫度持續(xù)降低。當(dāng)流速從0m/s增大到13.7m/s時(shí)，波長漂移量達(dá)到1nm?？梢娫诹魉僭?3.7m/s時(shí)，傳感頭仍比環(huán)境溫度高了20 ℃左右。

FBG反射波長隨風(fēng)速的變化關(guān)系如圖5所示，其響應(yīng)(即靈敏度)隨流速增大而變小，當(dāng)流速超過13.7m/s時(shí)，響應(yīng)變得很弱，這和牛頓熱力學(xué)定律是相符的。根據(jù)式(4)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了一條擬合度很好的曲線(見圖5)。此時(shí)，公式(4)可以改寫為

(5)

由上面的公式，得出風(fēng)速與光纖光柵中心波長的關(guān)系，即

(6)

必須說明的是,式(5)和式(6)都是在特定條件下的測(cè)量結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中，一些條件的改變可能會(huì)導(dǎo)致公式參數(shù)的改變。如增大泵浦源的輸出功率，腰椎放大結(jié)構(gòu)中耦合效率的變化，環(huán)境溫度的改變等。

圖4 不同風(fēng)速下風(fēng)速計(jì)的反射譜Fig 4 Reflection spectra of anemometer under variousairflow velocities

圖5 FBG反射波長對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)Fig 5 Response of FBG reflection wavelength to airflow velocity

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，還可以得出此FBG風(fēng)力計(jì)的流速測(cè)量靈敏度和分辨率在風(fēng)速為0.5m/s時(shí)分別為1.0nm/(m/s)和0.001m/s；在風(fēng)速為3.5m/s時(shí)分別為0.357nm/(m/s)和0.028m/s；在風(fēng)速為6.5m/s分別為0.164nm/(m/s)和0.061m/s;在風(fēng)速為9.5m/s時(shí)，分別為0.01nm/(m/s)和0.1m/s。

通過增大泵浦激光的輸出功率或提高銀薄膜對(duì)激光的耦合效率，還可以進(jìn)一步擴(kuò)大此風(fēng)力計(jì)測(cè)量范圍，這兩種方法均能增加FBG的初始波長。此外，調(diào)整腰椎放大熔接距離，提高金屬鍍膜技術(shù)等方法均可有效地提高此FBG熱線式風(fēng)力計(jì)的分辨率與靈敏度。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需要進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)而獲得最佳的測(cè)量效果。

3 結(jié) 論

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型FBG熱線式風(fēng)力計(jì)。其利用腰椎放大結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高功率泵浦激光由纖芯到包層的耦合，由鍍?cè)贔BG表面的銀膜吸收從而對(duì)其進(jìn)行加熱，氣流帶走熱量使FBG的中心波長隨溫度的變化而改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流速度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)得出了FBG波長對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)曲線和關(guān)系式，測(cè)量范圍為0～13.7m/s，其分辨率和靈敏度分別可達(dá)0.001m/s和1.0nm/(m/s)。此FBG熱線式風(fēng)力計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗電磁干擾等眾多優(yōu)勢(shì)，具有很好的發(fā)展前景。

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

[2]ByrneGD,JamesSW,TatamRPA.Bragggrating-basedfibre-opticreferencebeamlaserDoppleranemometer[J].MeasSciTechnol,2001,12(7):909-913.

[3]LienV,VollmerF.Microfluidicflowratedetectionbasedonintegratedopticalfibercantilever[J].LabonaChip,2007,7(10):1352-1356.

[4]CashdollarLJ,ChenKP.FiberBragggratingflowsensorspoweredbyin-fiberlight[J].IEEESensors,2005,5(6):1327-1331.

[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.

[8]DongXinyong,ZhouYan,ZhouWenjun,etal.Compactanemometerusingsilver-coatedfiberBragggrating[J].IEEEPhotonicsJournal,2012,4(5):1381-1386.

[9] Geng Youfu,Li Xuejin,Tan Xiaoling,et al.High-sensitivity Mach-Zehnder interfer-ometric temperature fiber sensor based on awaist-enlarged fusion bitaper[J].Sensors Journal,IEEE,2011,11(11):2891- 2894.

[10] Meng Qingqiang,Dong Xinyong,Zhou Yan,et al.Simultaneous measurement of curvature and temperature with fiber taper-based MZI containing fiber Bragg grating[J].Journal of Electro-magnetic and Applications,2012,26(17/18):2438-2444.

[11] Ni Kai,Dong Xinyong,Chan Chichiu,et al.Miniature refractomer based on Mach-Zehnder interferometer with waist-enlarged fusion Bitaper[J].Optics Communications,2012,292:84-86.

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

國家“973”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010CB327804);浙江省自然科學(xué)基金杰出青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(R1080087)

O 431.1

： A

： 1000—9787(2015)10—0057—03

趙學(xué)芳(1988)，女，河北秦皇島人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w光柵傳感器。