魯昌濤, 周　斌, 姜恒和

(華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，廣州 510006)

?

光纖光柵壓力計(jì)及其傳感特性的研究

魯昌濤, 周斌*, 姜恒和

(華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，廣州 510006)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖布拉格光柵(FBG)壓力傳感器，采用應(yīng)變片作為懸臂梁，將垂直壓力轉(zhuǎn)換成軸向應(yīng)力. FBG固定在懸臂梁上，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成中心波長的漂移. 通過半導(dǎo)體激光器斜邊檢測法檢測FBG波長的移動. 研究了FBG柵區(qū)長度和特征反射光譜寬度的關(guān)系，選擇并制作了柵區(qū)長度為1 mm的FBGs作為傳感器，確保FBG中心波長漂移時(shí)，半導(dǎo)體激光的波長仍在FBG的反射光譜區(qū)域內(nèi)，擴(kuò)大了傳感器的動態(tài)范圍. 在懸臂梁雙側(cè)設(shè)計(jì)了FBGs對結(jié)構(gòu)，利用這對FBGs對環(huán)境溫度相應(yīng)系數(shù)相同的特性，消除環(huán)境溫度波動對壓力測量的影響. 在實(shí)驗(yàn)中改變FBGs對的溫度，測量了它們對溫度的響應(yīng)并利用溫度消敏算法獲得傳感器的溫度不敏感性能. 提出了FBG壓力傳感器的空分復(fù)用技術(shù)，利用多個(gè)光纖耦合器和光電探頭(PD)陣列組成傳感網(wǎng)絡(luò). 上述的壓力傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在邊坡、基坑等土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控領(lǐng)域具有實(shí)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：光纖光柵； 壓力計(jì)； 光纖傳感網(wǎng)絡(luò); 特性

壓力是工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測的重要參數(shù)之一，壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域，壓力的實(shí)時(shí)和分布式測量在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境測量和軍事安全等方面具有重要的意義. 傳統(tǒng)的壓力傳感器多為電磁類傳感器，其靈敏度低、測量范圍小、組網(wǎng)復(fù)雜，無法滿足快速發(fā)展的工業(yè)需要. 光纖布拉格光柵(FBG)具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)小巧、性能穩(wěn)定和易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn).研究者已提出了許多傳感器結(jié)構(gòu)，例如將FBG黏貼在開口環(huán)有機(jī)玻璃上[1]，等強(qiáng)度懸臂梁與彈簧管結(jié)合的FBG壓力傳感器[2-3]，膜片式FBG壓力傳感結(jié)構(gòu)[4-6]和基于聚合物的光柵壓力傳感器[4,6-7]等，然而這些結(jié)構(gòu)在測量壓力時(shí)會受到外界溫度的影響. 后來，許多基于溫度補(bǔ)償?shù)腇BG壓力傳感結(jié)構(gòu)相繼被研究，如基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻艍毫鞲衅鱗5,8-11]，還有具有溫度補(bǔ)償?shù)膹椥越Y(jié)構(gòu)FBG傳感器[9,12-16]和改進(jìn)型聚合物壓力傳感器[17]等. 這些傳感結(jié)構(gòu)雖然消除了溫度對測量系統(tǒng)的影響，但是光譜儀和光柵解調(diào)儀的成本較高，不適合廣泛應(yīng)用. 本文提出了一種基于懸臂梁的光纖光柵壓力傳感器，利用低成本的單波長半導(dǎo)體激光二極管和斜邊檢測方法實(shí)現(xiàn)了傳感器的信號解調(diào)，為了增大傳感器的動態(tài)范圍，研究設(shè)計(jì)了大帶寬FBG，具有結(jié)構(gòu)簡單小巧、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可消除溫度對壓力測量的影響. 此外，本文還提出了多傳感器復(fù)用技術(shù)，將多個(gè)傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，適用于鐵路、水壩、山體等大型土木工程的壓力監(jiān)測.

1研究方法

1.1壓力計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器選用懸臂梁作為傳感元件，能將外界的垂直壓力轉(zhuǎn)換為懸臂梁上的軸向應(yīng)變，懸臂梁的示意圖如圖1所示. 懸臂梁一端固定，另一端自由彎曲，外界壓力施加在自由端. 施加壓力后，懸臂梁發(fā)生彎曲，懸臂梁上同一截面的上下表面產(chǎn)生大小相同，方向相反的應(yīng)變，上表面為拉伸應(yīng)變，下表面為壓縮應(yīng)變.

圖1　懸臂梁的彎曲示意圖

FBG傳感器黏貼處與懸臂梁固定端的距離為x，根據(jù)材料力學(xué)原理，當(dāng)懸臂梁發(fā)生彎曲時(shí)，F(xiàn)BG的軸向應(yīng)變?yōu)閇8]

(1)

其中，h為懸臂梁的厚度，φ為光柵的直徑，“±”代表懸臂梁的上下表面，E為懸臂梁的楊氏模量，I為懸臂梁彎曲的轉(zhuǎn)動慣量，M(x)為懸臂梁彎曲時(shí)的力矩[8]：

(2)

其中，L為懸臂梁的長度，y為懸臂梁自由端的偏移量. 由式(1)和式(2)可推導(dǎo)出

(3)

由式(3)可知，當(dāng)懸臂梁形變相同時(shí)，光柵的固定位置x越小，其所受軸向應(yīng)變ε越大，所以將FBG黏貼在懸臂梁根部位置. 根據(jù)材料力學(xué)原理，對于懸臂梁結(jié)構(gòu)，壓力F與懸臂梁彎矩M(x)的關(guān)系為[18]

M(x)=F(L-x).

(4)

根據(jù)式(2)和式(4)可推導(dǎo)出壓力F與懸臂梁自由端的偏移量y的關(guān)系為

(5)

由式(5)可知，懸臂梁自由端的壓力與自由端的偏移量成正比關(guān)系. 圖2為實(shí)驗(yàn)所用懸臂梁上的壓力與其偏移量的關(guān)系圖，與式(5)的結(jié)果相符合. 因此，可根據(jù)懸臂梁自由端的偏移量求出外界垂直壓力.

圖2　懸臂梁所受壓力與偏移量的關(guān)系

1.2FBG傳感器設(shè)計(jì)和傳感器復(fù)用技術(shù)

FBG的折射率在光纖軸向方向呈周期性變化，當(dāng)1束光進(jìn)入光柵時(shí)，滿足布拉格條件的光將被反射，其反射波長B稱為光柵的中心波長，其布拉格條件為[2]

B=2neffΛ,

(6)

其中,Λ為光柵的周期，neff為光纖的有效折射率. 由式(4)可知，當(dāng)軸向應(yīng)變作用于光柵或者外界溫度變化時(shí)，光柵的折射率和周期發(fā)生變化，中心波長會隨之發(fā)生漂移，光柵的中心波長漂移量Δ隨軸向應(yīng)變Δε和溫度變化量ΔT的變化關(guān)系為

Δ/=(1-pe)Δε+(α+ξ)ΔΤ,

(7)

其中，pe為有效光彈系數(shù)，α為熱膨脹系數(shù)，ξ為熱光系數(shù). 由式(5)可知，在排除溫度改變對中心波長影響的情況下，光柵中心波長的漂移量與軸向應(yīng)變量成正比.

光源為1 550.1 nm激光器，為保證當(dāng)FBG的中心波長漂移時(shí)，激光仍被FBG反射，實(shí)驗(yàn)需要較大帶寬的FBG. FBG的帶寬與其柵區(qū)長度有關(guān)，用Optiwave軟件對不同柵區(qū)長度的FBGs進(jìn)行模擬仿真，纖芯的直徑為8 μm，反射率為1.46，包層直徑為125 μm，反射率為1.445，光纖光柵的FBG波長為1 549 nm，模式參數(shù)為8.817×10-4(圖3). 隨著FBG的柵區(qū)長度增加，其透射譜深度逐漸增加(圖3A)，而其3 dB帶寬隨之減小(圖3B). FBG的柵區(qū)長度從0.5 mm增加到2.5 mm時(shí)，其3 dB帶寬迅速下降，在柵區(qū)長度增加至2.5 mm后，其帶寬基本不變，而且隨著光柵長度的增加，光柵的反射率增加，透射率減小.綜合考慮FBG的反射率和帶寬要求，選擇了柵區(qū)長度為1 mm的FBG.

圖3　不同柵區(qū)長度的FBGs的仿真結(jié)果

采用光源為1 550.1 nm的低成本半導(dǎo)體激光二極管，激光管帶光纖尾纖輸出，為單波長多縱模工作，帶寬小于0.01 nm，激光功率為8.02 mW，F(xiàn)BG的中心波長為1 548.9 nm，柵區(qū)長度為1 mm，其光譜如圖4所示. 2根FBGs的3 dB 帶寬為1.2 nm，其光譜帶寬足夠大，能保證FBGs中心波長發(fā)生大的漂移時(shí)，激光仍被FBGs反射，增加傳感器的動態(tài)范圍. 使用的FBG最高能夠監(jiān)測的微應(yīng)變?yōu)? 687.0 nm. 傳感器的系統(tǒng)如圖5所示，DFB激光器發(fā)出1 550.1 nm的激光，經(jīng)過分束器后，分成2路信號，分別進(jìn)入黏貼在懸臂梁上下側(cè)FBGs. 耦合器接受經(jīng)過FBGs反射后的光信號，傳送給光電二極管，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

圖4　FBG 的反射譜和激光的透射譜

Figure 4The reflectance spectrum of FBG and the transmission spectrum of the laser

圖5　傳感器測量系統(tǒng)示意圖

Figure 5The system diagram of the sensor measuring system

2結(jié)果與討論

采用相位掩膜法刻寫FBG，所用激光器為KrF激光器(ATLEX 500)，激光的波長為193 nm，掩模板的周期為1 071.18 nm. 去除涂覆層后的載氫光纖(H2的氣壓約為9 MPa，溫度約為98 ℃，載氫時(shí)間為3 d)放置在掩模板前方，通過可調(diào)狹縫來調(diào)節(jié)刻寫FBG的長度，圖4為實(shí)驗(yàn)室刻寫的2根1 mm的FBGs的反射譜. 傳感器選用彈簧片作為懸臂梁，其長度為100 mm，厚度為1 mm. 把2根刻寫好的FBGs分別黏在彈簧片根部的上下表面(圖1)，當(dāng)彈簧片的自由端發(fā)生彎曲時(shí)，彈簧片上側(cè)FBG被拉伸，下側(cè)FBG被壓縮，在不同的彈簧片偏移量下，2根FBGs的反射譜如圖6所示. 隨著彈簧片自由端偏移量的增加，彈簧片上側(cè)FBG產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，其中心波長往長波方向漂移，如圖6中黑色箭頭所示. 彈簧片下側(cè)FBG產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，其中心波長往短波方向漂移，如圖6中紅色箭頭所示.

圖6　不同偏移量下FBGs的反射譜和激光的透射譜

Figure 6The reflectance spectrum of FBGs in different offsets and the transmission spectrum of the laser

FBG中心波長的漂移不僅受應(yīng)變的影響，同時(shí)還受外界溫度變化的影響. 當(dāng)保持偏移量y不變時(shí)，改變外界溫度，彈簧片上下側(cè)FBGs的反射譜變化如圖7所示. 隨著溫度從25 ℃升高到45 ℃，彈簧片上下側(cè)FBGs的中心波長均往長波方向漂移，并且漂移量相等，因此，將上下兩側(cè)的光信號做減法處理，可以消除溫度對壓力測量的影響.

圖7　不同溫度下FBGs的反射譜和激光的透射譜

Figure 7The reflectance spectrum of FBGs in different temperature and the transmission spectrum of the laser

傳感器的壓力測量系統(tǒng)如圖5所示，對彈簧片自由端施加應(yīng)力，改變其豎直偏移量. 當(dāng)豎直偏移量從0逐漸增大至10 mm時(shí)，光電探頭(PD)接收到的光功率變化如圖8所示. 隨著彈簧片自由端的偏移量增加，上側(cè)FBG的中心波長向長波方向漂移，反射的激光功率增加. 相反，下側(cè)FBG的中心波長向短波方向漂移，反射的激光功率減小. 隨著懸臂梁偏移量的升高，懸臂梁上下側(cè)FBGs的光功率差逐漸變大.

把彈簧片和FBGs同時(shí)水浴加熱，以檢測溫度對傳感器的影響(圖9). 當(dāng)水溫從26 ℃升高到55 ℃時(shí)，隨著溫度的增加，彈簧片受熱膨脹，上下側(cè)FBGs都被拉伸，并且FBGs自身對溫度敏感，這使中心波長向長波反向漂移，F(xiàn)BGs反射的激光功率也增加.

圖8上下側(cè)FBGs反射的光功率偏移量及其差值隨懸臂梁偏移量的變化

Figure 8The reflected laser power and its difference by FBGs at top and bottom sides while the cantilever changes

圖9　上下側(cè) FBGs反射的光功率及其差值隨溫度的變化

Figure 9The reflected laser power and its difference by top and bottom FBGs at different temperatures

然而，彈簧片上下側(cè)FBGs反射的激光功率隨溫度的變化趨勢基本一致，即上下側(cè)FBGs反射的光功率的差值不隨溫度變化(圖9)，曲線的方差為0.000 8，均方差為0.028 6. 所以可以通過對PD接收到的2路光信號做減法處理的方法，去掉溫度對壓力測量的影響. 因此，光功率的差值只與外界壓力有關(guān).

圖8中，光功率差P與自由端偏移量y的擬合關(guān)系為

y=a(P-b)c,

(8)

其中，a，b和c為擬合系數(shù)，分別為0.904 35、-0.675 96和1.404 19. 根據(jù)式(5)和式(8)可推導(dǎo)出，外界壓力和光功率差的關(guān)系式為

(9)

本文利用光纖布拉格光柵(FBG)實(shí)現(xiàn)了將外界壓力信號轉(zhuǎn)換為光功率信號，采集光信號可實(shí)現(xiàn)檢測外界壓力的功能.利用光纖對信號的復(fù)用原理，1根光纖可實(shí)時(shí)傳輸多個(gè)傳感信號.將多個(gè)壓力傳感器分別布置在測量區(qū)域的不同地點(diǎn)，使其組成壓力傳感網(wǎng)絡(luò)，對整個(gè)測量區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)分布式的壓力監(jiān)測.

3結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的光纖光柵壓力傳感器，并對其原理和特性做了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 傳感器用1根彈簧片作為懸臂梁，將外界壓力轉(zhuǎn)換為軸向應(yīng)變. 黏貼在彈簧片根部上下兩側(cè)FBGs對軸向應(yīng)變敏感，其中心波長會隨著應(yīng)變變化而漂移，使PD接收到的由FBGs反射的激光功率發(fā)生變化. 由于采用了差動FBG結(jié)構(gòu)，彈簧片上下側(cè)FBGs對溫度具有相同的反應(yīng)，通過減法處理，可消除外界溫度對壓力測量的影響. 此外還提出來將多個(gè)傳感器復(fù)用，組成壓力傳感網(wǎng)絡(luò)，對測量區(qū)域內(nèi)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測. 光柵壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)小巧、成本低、性能穩(wěn)定、靈敏度高、對溫度不敏感等優(yōu)點(diǎn)，其組成的傳感網(wǎng)絡(luò)對工業(yè)上測量壓力具有重要的意義.

參考文獻(xiàn)：

[1]丁超, 代森, 黃勇林. 光纖布拉格光柵壓力傳感器的研究[J]. 光通信研究, 2010(6): 46-47.

DING C, DAI S, HUANG Y L. Study on fiber Bragg grating pressure sensors[J]. Study on Optical Communications, 2010(6): 46-47.

[2]邵軍, 劉君華, 喬學(xué)光, 等. 基于彈簧管懸臂梁的 FBG 壓力傳感的研究[J]. 光電子·激光, 2006, 17(7): 808.

SHAO J, LIU J H, QIAO X G, et al. A FBG pressure sensor based on bourdon and Cantilever Beam of uniform strength[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2006, 17(7): 808.

[3]王俊杰, 姜德生, 梁宇飛, 等. 差動式光纖 Bragg 光柵土壓計(jì)及其溫度特性的研究[J]. 光電子·激光, 2007, 18(4): 389-391.

WANG J J, JIANG D S, LIANG Y F, et al. A differential optical fbier grating pressure cell and the temperature characteristic[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2007, 18(4): 389-391.

[4]HUANG J, ZHOU Z D, TAN Y G, et al. Design and experimental study of a Fiber Bragg grating pressure sensor[C]∥Proceedings of the 2014 International Conference on Innovative Design and Manufacturing (ICIDM). Montreal, Canada, 2014: 217-221.

[5]童凱, 李志全, 韓建輝. 差動光纖 Bragg 光柵壓力傳感器的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, 27(S2): 1656-1657.

TONG K, LI Z Q, HAN J H. Study on pressure sensor with differential fiber bragg gratings[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2006, 27(S2): 1656-1657.

[6]張文濤, 劉育梁, 李芳. 一種改進(jìn)的膜片式 FBG 壓力傳感器的研究[J]. 光電子·激光, 2008, 19(1):43-45.

ZHANG W T, LIU Y L, LI F, Study on improved FBG pressure sensor based on diaphragm[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2008,19(1):43-45.

[7]SHENG H J, FU M Y, CHEN T C, et al. A lateral pressure sensor using a fiber Bragg grating[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16(4): 1146-1148.

[8]DONG X Y, LIU Y Q, LIU Z G, et al. Simultaneous displacement and temperature measurement with cantilever-based fiber Bragg grating sensor[J]. Optics Communications, 2001, 192(3): 214.

[9]ZHAO Y, LIAO Y B, LAI S R. Simultaneous measurement of down-hole high pressure and temperature with a bulk-modulus and FBG sensor[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2002, 14(11): 1584-1586.

[10]ZHAO Y, YU C B, LIAO Y B. Differential FBG sensor for temperature-compensated high-pressure (or displacement) measurement[J]. Optics & Laser Technology, 2004, 36(1): 39-42.

[11]王宏亮, 喬學(xué)光, 傅海威, 等. 一種應(yīng)力遲滯和溫度自動補(bǔ)償型 FBG 壓力傳感器[J]. 光電子·激光, 2008, 19(1): 1-5.

WANG H L, QIAO X G, FU H W, et al. FBG sensor of measuring pressure with lag of stress active compensation and with temperature active compensation[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2008, 19(1): 1-5.

[12]PENG B J, ZHAO Y, YANG J, et al. Pressure sensor based on a free elastic cylinder and birefringence effect on an FBG with temperature-compensation[J]. Measurement, 2005, 38(2): 176-180.

[13]SHENG H J, LIU W F, LIN K R, et al. High-sensitivity temperature-independent differential pressure sensor using fiber Bragg gratings[J]. Optics Express, 2008, 16(20): 16013-16018.

[14]SRIMANNARAYANA K, RAO P V, SHANKAR M S, et al. FBG sensor for temperature-independent high-sensitive pressure measurement with aid of a Bourdon tube[C]∥SPIE Photonics Europe International Society for Optics and Photonics. Belgium, Brussels, 2014:91412E.

[15]付建偉, 肖立志, 張?jiān)? 等. 纖 Bragg 光柵高壓傳感器[J]. 光電子·激光, 2006, 17(9): 1057-1059.

FU J W, XIAO L Z, ZHANG Y Z, et al. A hgh-sensitivity fber bagg grat ing high-pressure sensor[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2006, 17(9): 1057-1059.

[16]王花平, 王赫喆, 蘭春光, 等. 適合于土壓力測試的新型光纖光柵傳感器性能研究[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2012 (4): 4-6.

WANG H P, WANG H Z, LAN C G, et al. Design of novel fiber bragg grating sensor for monitoring soil pressure[J]. Instrument Technique and Sensor, 2012(4): 4-6.

[17]LIU L H, ZHANG H, ZHAO Q D, et al. Temperature-independent FBG pressure sensor with high sensitivity[J]. Optical Fiber Technology, 2007, 13(1): 78-80.

[18]王春香,張少實(shí),哈躍．基礎(chǔ)材料力學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社，2007: 2-3.

【中文責(zé)編：譚春林英文責(zé)編：肖菁】

Study on the Fiber Bragg Grating Pressure Gauges and Its Performance

LU Changtao， ZHOU Bin*, JIANG Henghe

(South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

Abstract：A Fiber Bragg Grating (FBG) based pressure sensor is designed; the cantilever is made of a strain gauge and it can convert the vertical pressure into axial stress. The FBG which is fixed on the cantilever converts the stress into a center wavelength shift. By using the edge detection method with the help of a laser diode, the wavelength shift of the FBG can be detected. The relationship of the FBG length and its bandwidth is studied. After the comparison, the FBGs with 1 mm length is chosen and fabricated as the sensor, ensuring when the FBG’s center wavelength shift, the wavelength of the laser diode is still in its reflection spectrum region, in order to enlarge the dynamic range of the sensor. Two FBGs are designed to be fixed on both sides of the cantilever. According to the feature of the same temperature coefficient, the variation of the ambient temperature to the pressure measurement can be eliminated. The temperature of the FBGs pair in the experiment is changed, and their temperature response and the performance after applying temperature insensitivity algorithm are tested. The spatial division multiplexing technology of the FBG based pressure sensors is proposed; by using optical fiber couplers and a photo detector (PD) array, the sensor networks has been demonstrated. The mentioned pressure sensing network technology is practical in the field of civil engineering such as landslide and foundation monitoring.

Key words：Fiber Bragg Grating; pressure gauge; fiber sensing network; feature

中圖分類號：O438.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-5463(2016)01-0030-05

*通訊作者:周斌，講師，Email:zhoubin_mail@163.com.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(6130705)；廣東省引進(jìn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(201001D0104799318)；中國博士后基金項(xiàng)目(2013M 531866)

收稿日期：2015-06-15《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n