基于并聯回音壁結構的光纖曲率傳感器

劉睿洋,康 娟,徐 婷,湯 毅,趙春柳,李 裔

(中國計量大學 光學與電子科技學院,浙江 杭州 310018)

彎曲曲率是機械、建筑結構健康檢測領域中的重要參數,建筑結構的彎曲變形、道路路基的沉降、飛行器結構健康狀況等都是曲率傳感的重要研究方向[1-3]。研究者們設計并報道了多種干涉型光纖結構的傳感器[4-6]。其中,基于宏觀彎曲光纖結構的回音壁模式傳感器因其結構簡單、靈敏度高等優點,在應變、折射率、濕度等多個傳感領域中被廣泛應用。例如,Wu等[7]使用U形微通道模具制作了一種U形光纖應變傳感器,并用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料封裝,傳感器獲得了0.004 6 nm/με的平均應變靈敏度。Sarah等[8]提出了一種單模光纖彎曲制得的液滴型相對濕度傳感器,并在彎曲結構上分別沉積了聚環氧乙烷和聚乙烯醇涂層進行比較研究,結果表明聚乙烯醇涂層傳感器具有更高的相對濕度靈敏度-0.6 nm/RH%和更快的響應速度1.33 ms。Sung等[9]提出了一種光纖單彎曲環高溫傳感器,在250～700 ℃范圍內獲得了0.212 nm/℃的靈敏度?；匾舯谀Ｊ絺鞲衅麟m然被應用于多種傳感領域,但在曲率測量方面的研究還沒有相關的報道。

本文通過將單模光纖彎曲成兩個回音壁并聯的結構,提出了一種并聯回音壁結構(parallel whispering gallery mode,PWGM)光纖曲率傳感器,并使用硅酮膠對結構進行封裝。選擇輸出光譜中的兩個特征波谷作為監測對象,研究了傳感器的曲率測量特性。結果表明該傳感器不僅對曲率的變化呈線性響應,而且能夠對彎曲方向作出判斷。該傳感器靈敏度高,重復性好,具有良好的工程應用前景。

1 傳感器制作與原理分析

圖1為PWGM傳感器的結構示意圖,其制作過程如下:首先在一段單模光纖上套入兩個長度為2 mm、內徑為0.5 mm的毛細管,將光纖的尾端穿過其中一個毛細管形成液滴型結構;然后移動毛細管將液滴型結構的直徑控制在6 mm,在毛細管中滴入UV固化膠來固定結構;最后將光纖尾端穿過另一個毛細管,使用相同操作制作另一個液滴型結構,組成PWGM結構。隨后用硅酮膠對PWGM結構進行了固定封裝,封裝圖如圖1(b),在封裝的短邊兩側存在2 mm厚的“腳”,用于貼附在待測工件的表面。當待測工件發生沿z軸的彎曲時,“腳”受到的彎曲應力傳遞到PWGM結構,使傳感器發生同樣的彎曲。硅酮膠具有較低的彈性模量和較高的耐熱性能,能夠同時保證傳感器的柔韌性和結構穩定性,提高機械強度。

圖1 傳感器結構示意圖

圖2為PWGM傳感器的光路圖。當入射光沿光纖傳輸到PWGM的彎曲部分時,部分光會從纖芯泄漏到包層中,若光纖的彎曲直徑D1、D2合適,泄露到包層中的光在光纖包層和外界空氣的界面處會發生全反射,形成回音壁模式。當光穿過彎曲部分后,泄漏到包層中的光會重新耦合到纖芯,與纖芯模式發生干涉,干涉光譜的特征波長λm可表示為[10]

圖2 并聯回音壁結構中的光路

(1)

式(1)中,Leff是彎曲部分光纖的有效長度,m為整數(例如,1,2,3…),Δneff表示纖芯和包層的有效折射率差值。

當傳感器沿z軸方向發生彎曲而產生應變后,纖芯和包層之間會存在應變差Δε[11]

Δε=d×C。

(2)

式(2)中,d是纖芯中心與包層之間的距離,C是彎曲曲率。應變差Δε會導致纖芯與包層的有效折射率差值Δneff變為[12]

(3)

(4)

根據公式(4)可知當傳感器的彎曲曲率C或有效彎曲長度Leff變化時,均會造成特征波長λm的漂移。本文設計的PWGM光纖傳感器,Leff相較于單個回音壁結構更大,有利于進一步提高傳感器的靈敏度。

此外,傳感器特征波長的光譜凹陷深度對曲率的測量精度也會有影響,其輸出光強表示為

(5)

式(5)中,Ic和IWGM分別表示芯模和回音壁模式的光強,φ為兩種模式間的相位差。當Ic和IWGM越接近時,輸出的干涉光譜的對比度越高。為了獲得較高的光譜凹陷深度,可以通過調整D1與D2的相對差值來提升輸出干涉光譜對比度。

2 實驗結果與分析

2.1 曲率測量實驗

圖3為曲率測量的實驗裝置示意圖,PWGM傳感器的“腳”通過少量的環氧樹脂膠固定在一片直徑為10 cm的待測工件中心位置,待測工件由兩個夾具固定在可調位移平臺(紅星楊科技,10 μm分辨率)上。在測試過程中,通過向里推動左側位移平臺使待測工件發生z軸正或負兩個方向的彎曲,此時傳感器的“腳”在隨著待測工件的彎曲,帶動傳感器發生同樣的彎曲,實現不同曲率的測量。寬帶光源(浩源光電,HY-SLED)的中心波長為1 550 nm,使用光譜分析儀(YOKOGAWA,AQ6370)實時監測輸出光譜的變化。

圖3 曲率測量實驗裝置示意圖

推動左側的位移平臺時,待測工件的彎曲曲率C與位移平臺的推進距離s之間的關系可表示為[13]

(6)

式(6)中,r是彎曲半徑,D是待測工件的直徑,也是固定傳感器的兩個位移平臺之間的初始距離。由公式(5)可獲得待測工件的彎曲曲率。

在曲率測量時,首先記錄了傳感器初始狀態下的輸出光譜。實驗過程中,位移平臺按每步10 μm,共推進70 μm,觀察并記錄不同步進距離對應的曲率下傳感器輸出光譜的變化情況。圖4為沿z軸正負兩個方向彎曲時輸出光譜隨曲率C的變化圖,可以看出,當沿z軸正向彎曲時,輸出光譜紅移,沿z軸負向則表現為藍移。這是因為正向彎曲時PWGM傳感器被拉伸,導致有效彎曲長度Leff增大,負向彎曲時傳感器被壓縮,導致Leff變小。

圖4 不同彎曲方向的輸出光譜隨曲率的變化

選擇光譜中的兩個特征波谷dip1和dip2,分析其波長漂移量與曲率的變化關系,其結果如圖5?？梢钥闯鲈?～1.29 m-1的曲率范圍內,沿z軸正向彎曲時dip1與dip2的曲率靈敏度分別為5.73 nm/m-1和6.15 nm/m-1,線性擬合度R2分別為0.991和0.996;沿z軸負向彎曲時dip1與dip2的曲率靈敏度分別為-3.64 nm/m-1和-3.66 nm/m-1,線性擬合度R2分別為0.981和0.995。實驗結果表明,該傳感器不僅能夠通過波長解調方法測得曲率的變化情況,還可以判斷彎曲的方向。

圖5 dip1與dip2的線性擬合圖

實驗還研究了傳感器的重復性,記錄了dip1與dip2在傳感器沿z軸正向3次相同彎曲下的漂移情況,結果如圖6。計算出dip1與dip2的相對標準偏差分別不超過9.4%和7.8%,說明傳感器具有良好的重復性。同樣地,傳感器沿z軸負向彎曲時也表現出了良好的重復性,能夠滿足實際測量的需求。

圖6 傳感器的重復性測試

表1歸納了不同結構的光纖曲率傳感器的性能,可以看出,本文提出的PWGM傳感器具有靈敏度高、可判斷彎曲方向、結構簡單,且成本低、機械強度高等優點,同時傳感器結構無需拼接,損耗低[19]。

表1 光纖曲率傳感器性能比較

2.2 溫度測量實驗

為了了解傳感器的溫度交叉響應特性,實驗將傳感器固定在加熱平臺上進行溫度響應實驗。溫度從30 ℃逐步上升到55 ℃,每次間隔5 ℃,每次溫度穩定10 min后記錄輸出光譜。如圖7(a),隨著溫度上升,輸出光譜藍移,這是因為環境溫度變化引起的熱膨脹效應和熱光效應[20]。dip1和dip2的波長漂移隨溫度變化的線性擬合如圖7(b),dip1的溫度靈敏度為-0.83 nm/℃,線性擬合度R2為0.995,dip2的溫度靈敏度為-0.92 nm/℃,線性擬合度R2為0.994,溫度交叉敏感問題對傳感器曲率測量的影響不可忽略。

圖7 溫度測量結果

根據上述的實驗,獲得了兩個特征波長的曲率靈敏度和溫度靈敏度,以此來構建測量矩陣能夠消除溫度的交叉敏感問題,測量矩陣如下:

(7)

式(7)中,Δλ1和Δλ2是dip1和dip2的波長漂移量,ΔC和ΔT是曲率和溫度的變化量。通過求解式(7)的逆矩陣,能夠得到ΔC和ΔT,實現溫度補償。

3 結 論

本文提出了一種基于PWGM的光纖曲率傳感器,并使用硅酮膠對傳感器進行封裝。根據PWGM結構中回音壁模式干涉原理,研究了傳感器在不同彎曲方向下的曲率測量特性。實驗結果表明傳感器沿z軸正向彎曲時,輸出光譜中的兩個特征波谷的曲率靈敏度分別為5.73 nm/m-1和6.15 nm/m-1,沿負向彎曲時曲率靈敏度分別為-3.64 nm/m-1和-3.66 nm/m-1,據此可以對彎曲方向做出判斷。此外,通過特征波谷的溫度靈敏度和曲率靈敏度構建測量矩陣,避免了溫度的交叉敏感。該傳感器的PWGM結構具有比單個回音壁結構更長的有效彎曲長度,且有效提高了測量靈敏度,同時還具有結構緊湊,制作簡單,結構強度高等諸多優點。