光纤应变传感器
20401033 李永成
目前已经能够利用光纤传感器对材料的应力、应变、温度、固化度、振动、损伤与断裂等开展进行实时的监测。在美国等发达国家, 研制出了诸如灵巧蒙皮(SmartSkin)之类的智能结构和材料它在航空航天领域的应用极大的提高了空间飞行器的性能。因此, 光纤传感器研究有着诱人的前景。在材料的诸多参数中, 利用嵌入式光纤传感器对其应变监测的研究进行的最为充分, 发展出多种方法, 大体可分干涉型、模式型、偏振型和光强型四种。
1 干涉型传感器(InterferometricSensors)
外界应变的作用可使在光纤中传输的光的相位发生变化, 干涉型光纤传感器就是通过监测输出信号的相位变化来监测复合材料应变的。它又包括Mach-Zender 干涉法、法布里—珀罗干涉法和布拉格光栅法。
1.1 Mach-Zender 干涉法
下图为Mach-Zender 干涉传感器的基本结构。从光源发出的光经耦合器A 等量的进入长度相等的参考光纤和测量光纤, 然后再经耦合器B 输向探测器, 由探测器输出信号。工作时, 将测量光纤嵌入复合材料, 当复合材料发生应变时, 测量光纤随之发生变形, 从而使通过测量光纤的光程发生变化, 在耦合器B 处, 参考光纤与测量光纤之间由于存在相位差而发生干涉, 由探测器将干涉信号输出, 通过监测输出的干涉信号就可监测复合材料的内部应变。
1.2 法布里—珀罗干涉法(FPI)
1.2.1 法布里－ 珀罗干仪原理
光纤法布里 珀罗干涉腔是在一段光纤的两个端面上由所镀的反射面形成。光射入光纤法布里珀罗干涉腔后光的反射与折射的情况如下图所示两个反射面的反射率分别为r1和r2, 设r1=r2腔长为d, 并假设R1=R2=R=r2,则入射光经过多次反射和折射后透射光强和反射光强为
位相φ的表达式为:
φ=4πnd/λ(3)
式中,n 为折射率;d 为腔长; λ为光的波长。采用双光束近似为:
IR=2RI0(1-cosφ)(4)
归一化并令2RI0=1后为:
IR=1-cosφ(5)
1.2.2 内型腔—法里布珀罗干涉法(IFPI)
下图为内腔型法布里—珀罗干涉传感器(IFPI Sensor)的基本结构。在光纤中产
生两个部分反射的中间面, 从而由该部分形成一个法布里—珀罗腔, 从光源发出的光
在光纤中传播过程中, 遇到第一个反射面发生部分反射, 形成与法布里—珀罗腔无关
的参考光束, 部分透射光继续向前传播, 遇到第二个反射面发生反射, 形成与腔长有关
的测量光束, 参考光束与测量光束在输出端发生干涉, 干涉信号随波长和腔长的变化
而变化, 当入射光波长一定时, 干涉信号就是腔长的函数, 通过测量干涉信号的变化就
可以得到腔长的变化情况。把IFPI 传感器埋入复合材料中, 使IFPI 传感器与复合材
料基体牢固地结合在一起, 当复合材料受力发生变形时,IFPI 传感器的腔长与复合材
料一起发生变形, 则IFPI 传感器腔长的变形情况就反映了复合材料的变形情况。从
而可以获得复合材料的应变。IFPI 的特点是光的传播与反射均发生在光纤中, 所以称
之为内腔型, 这使得IFPI 腔长可以有较大的变化范围, 然而它却存在输出信号的非线
性和热灵敏度较高等问题。
1.2.3 外腔型法布里—珀罗干涉法(EFPI)
由于IFPI 存在较高的热灵敏度, 使得温度对输出信号的影响较大, 因此研究了外
腔型法布里—珀罗干涉传感器(EFPISensor)。把一个单模光纤与一个单模或多模光纤
通过一个空心二氧化硅纤维对接起来就形成一个外腔型法布里—珀罗干涉传感器,
再加光源、探测器等支持部分就构成一个传感器系统, 如图下所示。从光源发出的光
经耦合器输向EFPI 腔。在EFPI 腔中, 从入射光纤端面反射过来的光R1(参考光束)
和从反射光纤端面反射过来的光R2(测量光束) 在输出端发生干涉, 干涉信号通过耦
合器可由探测器检测, 将EFPI 传感器嵌入复合材料, 复合材料中产生应变时引起干涉
信号的变化(条纹的漂移), 则通过计数干涉条纹的变化就可以测得复合材料的应变。 EFPI 的特点是法布里—珀罗腔为热膨胀系数小的空气, 从而使EFPI 的热灵敏度低,
输出信号受温度影响小。但EFPI 未能解决输出信号的非线性问题, 同时它只能监测
传感器轴向应变, 而对横向应变不响应。因此作了进一步研究。
1.2.3 绝对外腔型法布里—珀罗干涉法(AEFPI)
绝对外腔型法布里—珀罗干涉法(AEFPI)解决了输出信号的非线性问题。
AEFPI 的传感器部分与EFPI 相同, 它利用宽波段的超发光二极管(SLD)作为光源来
向EFPI 腔输入光, 每种不同波长的反射光对应不同的相位, 各波长反射之间存在相位
差, 这种相位差是腔长d 的单一函数, 由于可以实时的得到腔长d, 那么就可以监测应
变的变化及其方向AEFPI 采用宽波段的光源, 因此在光源部分无需昂贵的温度稳定
装置和光学去耦装置, 在输出部分也不需要计数装置, 可见,AEFPI 是一种较好的应变
监测方法。
1.2.4 90°相差相漂移外腔型法布里—珀罗干涉法(QSP—EFPI) 。
QSP —EFPI 的基本结构如图4(a)所示, 反射光纤为一多模光纤, 入射光纤为两根
单模光纤, 两入射光纤与反射光纤所形成的腔长在纵向有一差值, 该差值使两干涉输
出信号之间的相位差为90°。可见, 两干涉输出信号之间的相位差决定于两腔长的差,
空心纤维沿传感器轴向的角运动可以改变两个腔长(使腔长差发生变化) 见下图这反
过来使输出干涉信号的相位差发生变化, 如果这种相位差能够被测定, 那么就可以用
来表征横向应变场。轴向应变可以利用任一腔长的变化来测得, 这时可以忽略由于横
向应变使反射光纤产生角位移而引起的输出信号的变化。这样就得到介质的一个平
面应变场特征。QSP —EFPI 尚处于研究阶段, 目前仅作到利用外加纵向、横向应变的
方式对其可行性进行了研究, 还没有埋入到复合材料中去。该法还需要进一步研究的
是QSP —EFPI 相差与横向应变之间的关系。
1.3 布拉格光栅法(FBG)
纤芯折射率周期性变化的区域可形成布拉格反射, 其反射光谱是一个具有一中
心波长的窄峰。该中心波长取决于纤芯的平均折射率和周期性变化的波长, 通过监测
嵌入在复合材料中布拉格光栅波长的漂移(ΔλB) 就可以监测复合材料应变的变化
(Δε) 。
光纤布喇格光栅(FBG)作为一种新型的光无源器件, 因其抗电磁干扰、体积小、
易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络等特点,
受到研究人员越来越多的关注[1].由于光纤光栅最为直接感受的物理量是应变和温
度变化, 因此, 人们更关注如何将压力、位移等外界参量通过传递而耦合到FBG 上,
并转换为使FBG 沿轴向产生拉伸(或压缩) 应变, 同时, 解决FBG 感受外界待测参量的
灵敏度问题实现对外界参量的高灵敏度传感检测报道了用聚合物作为机敏材料实现
FBG 压力传感的罐封装技术, 研究了将压力有效地传递为对FBG 的应变效应. 下面采
用C 形弹性管作为FBG 压力传感和位移传感的机敏元件, 将FBG 粘贴于C 形弹性管
与自由端等高的位置处, 实现了在常温下同时测量压力和位移.
A FBG 应变传感机理
由耦合模理论可知,FBG 的中心反射波长应满足 （1）
式中neff 为纤芯的有效折射率, Λ为FBG 的栅距. 当温度不变,FBG 只受轴向应力作用
时,FBG 中心反射波长 的漂移量为ΔλB=λB(1-Pe)ε （2）
(2)式中Pe=(n2eff/2)[p12-μ(p11+p12)]为光纤的有效弹光系数; μ为光纤材料的泊松
比;p11和p12为光纤的弹光效应张量系数; 实验中选用的硅基质掺锗光纤各参数分别
为neff=1.46,μ=0.16,p11=0.12p12=0.27,由此可以计算出Pe=0.22,式(2)可写为
ΔλB=0.78λB ε . (3)
式(3)即为FBG 对应变ε敏感引起反射中心波长漂移的关系. 对于裸FBG 而言, 要使
光栅产生轴向应变, 就要直接施以拉伸力. 实验表明, 裸露的FBG 加到7N 拉力时光纤
光栅就会断裂(FBG的断裂极限为7860με). 因此,FBG 的应力灵敏度受到很大限制
[6].为了提高对应变的传感灵敏度, 就必须借助一种机敏元件的结构作为应力传感的
桥梁, 外界应力变化通过这种结构, 加载在FBG 上
.
图1 C 形弹性管实验
B 基于C 形弹性管FBG 压力传感原理
图1所示的C 形弹性管为薄壁空心且截面形状为椭圆型的结构, 在管内过剩压
力作用下,
其截面力图趋于圆形. 在此情况下, 截面的短轴将伸长, 而长轴缩短, 周界的变化如图1
中的虚线所示. 由李滋法推出C 形弹性管内总势能经过简单变形, 得到在管内流体压
力P 作用下C 形管纵向应变和横向应变的表达式为
式中K=Rh/a2;P为管内流体压力;E 和μ分别为材料的弹性模量和泊松比;R 为C
形弹性管的半径a 和b 分别为C 形弹性管横截面的长半轴和短半轴;h 为管壁厚度;
β为与a/b有关的系数; Ω和
Φ是与a/b和h/b有关的位置函数. 当C 形弹性管截面形状、材料确定后, 在一定压
力范围内,E, μ,R,a,b,h 和K 均为常量, 因而弹性管表面各点的纵向应变和横向应变均
与压力P 成线性关系, 并且弹性管上与中心轴线平行的纵向各点的应变相等, 而横向
截面上各点应变则与位置有关, 但相对于中心轴线对称. 由式(5)可看出, 横应向最大变
点位于管子截长轴两端处. 若将FBG 沿截面长轴方向粘贴在C 形管与自由端等高的
位置处(见图1), 则管内过剩压力使FBG 沿长轴方向拉伸产生应变, 将式(5)代入式(3)
得
:
式(6)为基于C 形弹性管作为机敏元件的FBG 压力传感系统将压力转换为FBG 反射
中心波长漂移量的传感原理.
2 模式型传感器(ModalmetricSensors)
模式型传感器是利用纤芯内模态能量分布的变化(如激发模干涉) 来进行测量
的。椭圆芯光纤传感器和双芯光纤传感器均属此类。
2.1 椭圆芯光纤传感器(EllipticalCoreFiber StrainSensors)
椭圆芯光纤可以在很大的光谱范围内传播基模LP01和仅有一个正弦方向的二
级模LP11。而且, 椭圆芯可以在每个空间模内产生双折射, 因此, 一个椭圆芯光纤可以
传播四个线性非退化偏振本征模, 两个空间模各包含两个偏振模, 由于本征模是非退
化的, 所以可以实现稳定的模间干涉, 其干涉形式在光纤轴端的偏移决定于LP01和
LP11模间的干涉都很敏感。检测器接收到的偏离于双模光纤轴向的光强随纵向应变
和温度而发生变化。用两束本征偏振光并将它们在输出端加以分离, 就可以在同一光
纤中同时获得两个独立的LP01—LP11模间干涉。通过监测椭圆芯双模光纤中LP01
和LP11的模间干涉能够同时监测温度和纵向应变的变化。
2.2 双芯光纤应变传感器(DaulCoreFiber StrainSensors)
一个双芯光纤是由一对单模纤芯在同一包层里紧密排列所形成的一个波导管。
因此, 当光输入一个光芯时, 在半个拍长内, 两光芯之间发生完全的能量变换(能量由
输入光芯传递到非输入光芯) 。这样, 在每个光芯的输出端可以观察到光强的周期性
变化。一般地, 光纤的温度变化和轴向应变都影响拍长和光纤长度, 拍长还是工作光源
波长的函数, 利用一个脉冲染色激光器作为一个可变波长光源, 就可以同时测得温度
和应变。
3 偏振型传感器(PolarimetricSensors)
偏振型光纤传感器通过一个单模光纤中两个相互垂直的偏振本征模间的相位差
的变化来同时测量应变和温度的。高双折射光纤应变传感器(Highly
BirefringentFiberStrainSensors) 就是这种类型。将一段高双折射光纤和合适的偏振化
元件相联, 可以在同一反射结构中形成两种独立的干涉。入端的光与末端反射过来的
光发生相长干涉时, 就可观察到干涉形成, 与两个本征模相关的两种干涉由于快慢模
的反射指数差而形成光程差。
3.1偏振模耦合相干测量应力分布的原理
由强内应力方法制成的单模保偏光纤, 如熊猫型保偏光纤有很强的线性双折射。
在通常情况下所形成的两个线偏振模HEx11模和HEy11模的偏振状态基本不变, 光
纤有大的消光比。但是当光纤受到外部因素例如温度、压力或扭曲等的作用时, 将引
起光纤内部折射率的变化, 从而导致上述两种模式的耦合变化。这样在光纤中传输的
线偏振光的偏振态也将随之发生变化, 使消光比降低。因此, 利用两偏振模的偏振干涉
即可确定光纤应力传感器应力点的位置与应力大小。
这种分布式应力传感器的实验原理如图1所示。将偏振方向与单模保偏光纤中
主偏振模如HEx11模偏振方向一致的线偏振光耦合进入光纤, 当外力横向作用于光
纤A 点时, 光纤中HEy11模将与HEy11模产生耦合。设它们相互耦合所形成的电场
分量分别为
Ex(z)=Eoxexp(-iβxz) (1)
Ey(z)=Eoyexp(-iβyz) (2)
式中,Eox 、Eoy 与βx 、βy 分别为HEx11、HEy11电场幅与相位传播常数。设注入
光纤功率为Pi, 其归一的功率耦合系数为k, 则有
Pi=｜Ex ｜2+｜Ey ｜2 (3)
｜Ex ｜2=(1-k)Pi (4)
｜Ey ｜2=kPi (5)
k 随外力大小而变。将光纤输出光送入迈克尔逊干涉系统, 然后经检偏器P 产生
偏振干涉, 最后在探测器D 上转换成光电流。设分束器BS 的分光比为1:1,且不考虑
光路损耗, 则从检偏器P 输出的光功率可按以下几种情况来计算。
2.1 A 点无外力作用
此时HFx11与HEy11模间无耦合变化, 由于消光比很高(大于30dB),k ≈0, 输出光
由HEx11模自相干, 其相干输出光功率为
式中, α为检偏器偏振方向与HEx11模偏振方向(x轴) 间夹角,l1、l2分别为迈克尔逊
系统中光经历反射镜M1、M2的两臂光程长,k0=2π/λ为光在真空中的传播常数。
当Δl=L1-L2≤Lc,Lc 为光源相干长度时, 探测器D 可探测到相干光功率变化。若Lc
足够小, 则l1≈l2, 这意味着对于相干长度较短的光源, 只有干涉系统两臂长非常接近
时才能观察到干涉现象。
2.2 A 点受到外力作用
此时HEx11与HEy11模间产生强耦合, 当Δl ≤Lc, 且当1k0Δβz>Lc时,HEx11
与HEy11模间不会产生干涉(仅有它们的自相干,z 为A 点到光纤输出端距离) 。输
出的相干功率为
在这里当α=0,式(7)为HFx11模的自相干; 当α=π, 式(7)为HEy 模的自相干。且有
Δβ=βx-βy=(βx0+Δβx)-(βy0+Δβy) (8)
当外力沿x 轴呈π/4角作用时, Δβ≈βx0-βy0。βx0、βy0与Δβx 、Δβy 分别
为光纤在无外力作用时HEx11与HEy11模的传播常数与在外力作用下传播常数的
改变量。
为了测量A 点位置, 调节Δl, 当Δl>Lc,且Δβz+2πλ(l1-l2)=0时,HFx11与
HFy11模通过检偏器产生干涉, 其输出的相干光功率为
从上式可见, 当Δβz+2πλ(l1-l2)=0时, 互相干输出功率将达到最大, 此时可得到A 点
位置坐标z 为
β与保偏光纤拍长LB 有关, 且
故有
A 点受力F 的大小可通过HEx11模自相干输出功率反映。将检偏器P 调节至使
α=0,在不考虑系统衰减情况下, 由式(6),当Δl=0时, 输出光功率为
:
A 点受力F 大小亦可通过式(9)中HEx11与 HEy11模的互相干输出功率大小来
检测, 当Δβz+2λ(l1-l2)=0时, 其输出的互相干功率为
4 光强型传感器(IntensiometricSensors)
光强型光纤传感器是基于光在光纤中传输过程中, 由于外界应变的作用而使
输出光强发生变化这一机理。它包括布里渊散射法和微弯应变光纤传感器等。
4.1 布里渊散射法(BrillouinScattering)
布里渊散射是光在光纤中传输时存在的散射之一, 散射光相对于入射光的频
移由介质的声学特性、弹性力学特性、入射光频率、散射角等决定。当光纤受拉产
生应变时, 引起频移的变化, 频移量(ΔV) 与拉伸应变有关, 通过测量频移ΔV 可求得拉
伸应变。图5为一布里渊散射应变测量系统, 其工作原理为:调整探测光频率, 当脉冲
光频率v 和探测光频率v-Δv 的频差Δv 与光纤的布里渊散射频移一致时, 由于受激
布里渊散射, 使得脉冲光功率和探测光功率转换, 即探测光被放大, 由探测光强度为最
大时的频移Δv 就可以求出沿光纤长度方向的应变分布。
4.2 微弯应变光纤传感器(MicrobendFiber StrainSensors)
将光纤传感器埋入复合材料, 当复合材料试件发生微弯曲时, 带动光纤传感器发生
弯曲, 光纤传感器的弯曲使得在光纤传感器中传输的光由纤芯向包层泄漏, 出现泄漏
模, 从而影响输出光强, 弯曲程度愈大, 光泄漏愈严重, 输出光强愈小。这样, 通过监测输
出光强就可以监测复合材料的弯应变。
微弯型传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过对纤芯中的光强度的变
化来实现信号能量的转换; 而后者则检测的是包层中的光信号。
微弯型光纤传感器的换能装置是由一种能够引起光纤产生微弯变形的部件──称为变形器构成的。如图所示, 变形器由上下块带有均匀锯齿槽的夹板组成, 其齿距为L, 并且二个锯齿槽能够很好地相互吻合在二板间夹有一根光纤。当外场对夹板的作用力F 发生变化时, 光纤的微弯变型幅度将随之变化, 并进一步引起光纤中耦合到包层中的辐射模也发生相应的变化。理论分析表
明, 当纤芯中的传播常数β0与包层中的传播常数βn 满足条件: β0-βn=±2π/L时, 这种
耦合达到最强。通过对光载波强度的检测, 就能够确定与之成比例的变形器的位移, 并确定物理场的大小。光纤(纤芯或包层) 中光信号强度是由弯曲损耗决定的。设弯曲损耗为γ, 根据传光理论[2],存在如下近似关系: γ (64ρ2lη6/Lα4)(r4/d2σ2)(1式中:ρ为光纤变形参数, 是时间的函数;l L、η、α分别为变形器有效长度, 齿距, 光纤及变形器材料有关系数和光纤折射率系数r 、d 和σ分别表示纤芯半径, 光纤外径和纤芯与包层折射率差。通常, 式(1)右端第一个括号中表达式可视为常量, 因此有关系:
γ∝[r4/(d2σ2)](2)
可见, 微弯损耗γ正比于光纤芯径r 的四次方, 而反比于光纤外径d 和折射率差σ的平方。为了获得较大的微弯损耗应该增加芯径r 而减小光纤外径d 和折射率差σ。