引言

光纖光柵傳感器可用于溫度、應(yīng)變、壓力、濃度等物理量的傳感測(cè)量，具有抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量小、兼容智能設(shè)備等特點(diǎn)。其工作機(jī)理是基于波長(zhǎng)編碼減少解調(diào)光路中光源功率波動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，容易實(shí)現(xiàn)分布式傳感。光纖光柵傳感器在航空航天、核電、工程工業(yè)監(jiān)測(cè)、橋梁、安防等方面具有重要的應(yīng)用前景。?

光纖光柵傳感器常被用于溫度和應(yīng)變測(cè)量。由于溫度和應(yīng)變的變化都可能引起光纖布拉格光柵(FBG)中心波長(zhǎng)偏移，因此在實(shí)際光纖光柵傳感應(yīng)用中存在溫度和應(yīng)變的交叉串?dāng)_問(wèn)題。解決FBG傳感器溫度與應(yīng)變的串?dāng)_問(wèn)題是其實(shí)用化的前提。目前解決交叉串?dāng)_問(wèn)題的方法為采用特殊材料對(duì)FBG進(jìn)行封裝，抑制溫度(應(yīng)變)的影響，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變(溫度)的解調(diào)，但該方法在封裝的過(guò)程中需要對(duì)FBG預(yù)加應(yīng)力，因此縮小了傳感器的測(cè)量范圍。劉鳳超等提出通過(guò)特殊的封裝方法在應(yīng)變傳感FBG附近增加一個(gè)溫度測(cè)量FBG，對(duì)應(yīng)變傳感FBG的測(cè)量進(jìn)行溫度的補(bǔ)償。此外，各國(guó)科研工作者也提出了多種能同時(shí)解調(diào)出應(yīng)變和溫度的雙參量解調(diào)方法。其中一種方法為使用FBG構(gòu)成法布里-珀羅(F-P)腔，當(dāng)溫度和應(yīng)變改變時(shí)，通過(guò)測(cè)量光柵布拉格波長(zhǎng)的偏移和F-P腔的干涉光譜的變化得到溫度和應(yīng)變的變化量，但是干涉光譜的測(cè)量失去了FBG傳感波長(zhǎng)編碼的優(yōu)點(diǎn);另一種方法是用兩個(gè)溫度、應(yīng)變系數(shù)不完全相同的FBG組合進(jìn)行溫度和應(yīng)變的測(cè)量，同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)光柵的布拉格波長(zhǎng)偏移，通過(guò)聯(lián)立兩個(gè)方程得到溫度和應(yīng)變變化量。趙洪霞等通過(guò)用氫氟酸(HF)腐蝕部分FBG，使得兩部分FBG的應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)差異較大，而溫度響應(yīng)系數(shù)差異較小，從而實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。關(guān)柏鷗等先將普通石英光纖和載氫后的鉺鐿共摻光纖兩種異質(zhì)光纖熔接在一起，用紫外準(zhǔn)分子激光在兩種光纖連接處刻寫(xiě)FBG，由于兩種不同光纖中的光柵結(jié)構(gòu)具有不同的溫度響應(yīng)系數(shù)，因此可以用作溫度、應(yīng)變雙參量傳感測(cè)量，異質(zhì)FBG雙參量傳感解調(diào)只需要一個(gè)解調(diào)光源，并保留了FBG傳感器波長(zhǎng)編碼特性的優(yōu)點(diǎn)。但以上方案均是利用紫外準(zhǔn)分子激光在光敏光纖中制備FBG。紫外準(zhǔn)分子激光對(duì)光敏光纖的寫(xiě)入機(jī)理是基于纖芯對(duì)紫外激光輻射的線性吸收而形成“色心”結(jié)構(gòu)，這種類型的FBG在400℃就會(huì)被擦除，很難適用于高溫環(huán)境。另外紫外光刻寫(xiě)FBG的方法要求光纖必須具有光敏性，對(duì)弱光敏光纖則需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的載氫處理，限制了該加工方法所適用的光纖范圍。飛秒激光脈沖具有超強(qiáng)的峰值功率，可以對(duì)各種材料進(jìn)行加工。利用飛秒激光可以直接在普通石英光纖中加工FBG，不需要載氫處理。所制備的FBG溫度穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)紫外光在光敏光纖制備的FBG，適用溫度可達(dá)1000 ℃。此外，利用飛秒激光在摻鐿、鉺鐿共摻等光纖中均實(shí)現(xiàn)了FBG的直接制備，但目前利用異質(zhì)FBG實(shí)現(xiàn)耐高溫溫度和應(yīng)變雙解調(diào)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。?本文利用飛秒激光在兩種異質(zhì)光纖熔接處刻寫(xiě)FBG，構(gòu)成異質(zhì)FBG溫度應(yīng)變雙參數(shù)傳感器。研究了摻鐿FBG、鉺鐿共摻FBG和普通石英FBG三種不同F(xiàn)BG溫度和應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)，基于鉺鐿共摻光纖和普通石英光纖兩種異質(zhì)FBG的溫度響應(yīng)系數(shù)不同，利用鉺鐿共摻-石英異質(zhì)FBG實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)變雙參量解調(diào)。同時(shí)，研究了鉺鐿共摻-石英FBG的耐溫特性，結(jié)果表明鉺鐿共摻-石英FBG溫度、應(yīng)變雙參量傳感器可用于700℃以內(nèi)的傳感。

1FBG 溫度和應(yīng)變傳感原理

1、FBG 溫度和應(yīng)變傳感?

FBG 的布拉格波長(zhǎng)可表示為?

mλ_B=2n_effΛ， (1)?

式中:m為布拉格波長(zhǎng)的階數(shù);λ_B為FBG的布拉格波長(zhǎng);n_eff為光纖纖芯的有效折射率;Λ為FBG的周期。FBG所處環(huán)境的溫度和應(yīng)變的變化會(huì)引起n_eff和Λ發(fā)生改變，從而導(dǎo)致λ_B發(fā)生偏移。溫度引起的FBG布拉格波長(zhǎng)偏移的主要原因可以歸結(jié)為光纖熱膨脹效應(yīng)和光纖的熱光效應(yīng)。在只考慮溫度變化時(shí)，布拉格波長(zhǎng)偏移Δλ_B可表示為?

Δλ_B= λ_B(α+ξ)ΔT=K_TΔT， (2)?

式中:α和ξ分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù);ΔT為溫度的變化量;K_T為FBG布拉格波長(zhǎng)偏移對(duì)溫度T的靈敏度。對(duì)于摻鍺石英光纖α=5.5×10^－7℃^－1，ξ= 6.4×10^－6℃^－1;當(dāng)λ_B=1550nm時(shí)，可得K_T=10.9 pm·℃^－1。應(yīng)變引起的FBG布拉格波長(zhǎng)偏移的主要原因可以歸結(jié)為應(yīng)變致使光柵周期Λ的伸縮和應(yīng)變通過(guò)光纖的彈光效應(yīng)使有效折射率n_eff改變。當(dāng)只考慮沿光纖軸向應(yīng)變時(shí)，在軸向應(yīng)變?chǔ)?sub>x條件下，布拉格波長(zhǎng)偏移可以表示為

Δλ_B=λ_B(1－p_e)ε_x?= K_εε_x，(3)?

式中:K_ε為布拉格波長(zhǎng)偏移對(duì)軸向應(yīng)變的靈敏度; p_e為有效彈光系數(shù)。對(duì)于摻鍺石英光纖，纖芯和包層的彈光系數(shù)分別為p₁₁=0.113，p₁₂= 0.252，泊松比為μ=0.16，可得有效彈光系數(shù)p_e≈0.22;當(dāng)λ_B=1550nm時(shí)，進(jìn)一步可得FBG的應(yīng)變靈敏度Kε=1.21 pm·με^－1。?

2、FBG溫度應(yīng)變串?dāng)_問(wèn)題?

由(1)式可知，FBG的布拉格波長(zhǎng)λ_B偏移和光柵周期Λ和有效折射率n_eff的變化有關(guān)。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)會(huì)使得λ_B變化;FBG產(chǎn)生的軸向應(yīng)變會(huì)通過(guò)改變光柵周期Λ和彈光效應(yīng)造成λ_B變化。結(jié)合(2)式和(3)式可得，由溫度和應(yīng)變共同作用引起的FBG布拉格波長(zhǎng)變化可表示為?

Δλ_B=λ_B［(α+ξ)ΔT+(1－p_e)ε_x］= K_TΔT+K_εε_x，(4)?

因此當(dāng)Δλ_B變化時(shí)，無(wú)法確定是溫度還是應(yīng)變引起的，這就造成了FBG在傳感測(cè)量中的串?dāng)_問(wèn)題。采用兩個(gè)溫度和應(yīng)變系數(shù)不完全相同的FBG，測(cè)定兩個(gè)Δλ_B，并聯(lián)立方程就可以解出溫度ΔT和應(yīng)變?chǔ)?sub>x，從而解決FBG傳感測(cè)量中溫度和應(yīng)變交叉串?dāng)_問(wèn)題。

2實(shí)驗(yàn)和結(jié)果討論

1、異質(zhì)FBG刻寫(xiě)?

實(shí)驗(yàn)中樣品為普通單模石英光纖(SMF-28，康寧公司，美國(guó))、摻鐿光纖(SM-YSF-HI，Nufern)和鉺鐿共摻光纖(SM-EYDF，Nufern)。實(shí)驗(yàn)中首先使用光纖熔接機(jī)將兩種異質(zhì)光纖熔接在一起，利用飛秒激光結(jié)合相位掩模板在熔接點(diǎn)的兩端分別刻寫(xiě)FBG。實(shí)驗(yàn)中采用的飛秒激光中心波長(zhǎng)為800nm，脈沖寬度為50fs，重復(fù)頻率為1kHz。飛秒激光經(jīng)過(guò)柱透鏡聚焦后垂直入射到相位掩模板形成衍射。柱透鏡焦距為25mm，相位掩模板的周期為2.142μm。實(shí)驗(yàn)中使用的相位掩模板針對(duì)800nm激光設(shè)計(jì)，0級(jí)衍射光能量被抑制(低于3%)，±1級(jí)衍射光各占35%左右的能量。±1級(jí)衍射光在重疊區(qū)域形成干涉條紋，誘導(dǎo)光纖纖芯折射率周期性調(diào)制形成光柵結(jié)構(gòu)，光柵周期為相位掩模板周期的一半。刻寫(xiě)光柵的過(guò)程中使用光譜分析儀 (AQ6370D)監(jiān)測(cè)FBG的反射光譜變化。飛秒激光結(jié)合相位掩模板刻寫(xiě)異質(zhì)FBG反射光譜圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中分別將摻鐿光纖和鉺鐿共摻光纖與石英光纖進(jìn)行熔接加工，飛秒激光功率為500mW，所制備的FBG反射光譜分別如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖 1 飛秒激光結(jié)合相位掩模掩模板刻寫(xiě)異質(zhì)FBG反射光譜圖。(a)摻鐿-石英;(b)鉺鐿共摻-石英

從圖中可以看出，兩種異質(zhì)光纖上刻寫(xiě)的FBG均出現(xiàn)兩個(gè)布拉格共振峰。在摻鐿光纖和普通石英光纖熔接點(diǎn)兩端刻寫(xiě)的FBG的中心波長(zhǎng)分別為1548.732nm和1549.852nm，在鉺鐿共摻光纖和普通石英光纖熔接點(diǎn)兩端刻寫(xiě)的 FBG中心波長(zhǎng)分別為1554.124nm和1550.18nm。這是由于在不同光纖中刻寫(xiě)的FBG雖然光柵周期相同，但三種光纖具有不同的有效折射率，所以會(huì)有不同的布拉格波長(zhǎng)，兩個(gè)普通石英FBG布拉格波長(zhǎng)有微小的差異是加工過(guò)程中施加的應(yīng)變不同造成的。

2、異質(zhì)FBG溫度、應(yīng)變傳感特性?

圖 2 異質(zhì)FBG溫度應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

異質(zhì)FBG溫度應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中將塑料燒杯兩側(cè)鉆出兩個(gè)微孔(小孔直徑略大過(guò)光纖直徑)。將待標(biāo)定的FBG從燒杯中穿過(guò)后兩端分別用膠水粘接固定在位移平臺(tái)上，其中一個(gè)為微位移平臺(tái)(Thorlabs MBT610D/M，位移精度為1μm，位移范圍為200μm)，受限于燒杯和水浴鍋尺寸，FBG兩端固定點(diǎn)距離為28cm，FBG應(yīng)變范圍為700με。往燒杯中注入水，水面高于光纖，保證 FBG浸沒(méi)在燒杯內(nèi)的水中，然后將燒杯置于水浴鍋(型號(hào):KHW-D-210)中。因燒杯兩側(cè)小孔直徑(小于0.5mm)很小且有光纖從小孔穿過(guò)，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只有少量水從小孔滲出，能保證實(shí)驗(yàn)從開(kāi)始到結(jié)束(3～5h) 燒杯內(nèi)的水平面下降不超過(guò)1cm(實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，FBG距水平面約6cm)。水浴鍋溫度控制范圍為室溫+5℃至液體的沸點(diǎn)，溫度波動(dòng)度小于等于±1℃。測(cè)量光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度時(shí)，先保持溫度或者應(yīng)變不改變，測(cè)量應(yīng)變或者溫度對(duì)FBG布拉格波長(zhǎng)的影響。?首先在固定應(yīng)變80με下，測(cè)量FBG布拉格波長(zhǎng)的溫度響應(yīng)特性，實(shí)驗(yàn)中利用水浴鍋控制溫度在31～85℃改變，每個(gè)溫度保持30min，然后測(cè)量相應(yīng)溫度下的FBG的反射光譜。測(cè)得摻鐿-石英FBG和鉺鐿共摻-石英FBG的布拉格波長(zhǎng)λ_B-溫度曲線分別如圖3(a)和3(b) 所示。可以看出異質(zhì)FBG中兩個(gè)布拉格波長(zhǎng)λ_B均隨著溫度增加線性增大。摻鐿-石英異質(zhì)FBG中摻鐿FBG和石英FBG的溫度響應(yīng)系數(shù)分別為9.27 pm·℃^－1和9.26pm·℃^－1，鉺鐿共摻-石英FBG中鉺鐿共摻FBG和石英FBG溫度響應(yīng)系數(shù)分別為11.07pm·℃^－1和9.46 pm·℃^－1。

圖 3 (a)摻鐿-石英FBG布拉格波長(zhǎng)λ_B -溫度曲線;(b)鉺鐿共摻-石英FBG的布拉格波長(zhǎng)λ_B-溫度曲線溫度保持為45℃不變，研究FBG的應(yīng)變響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)微位移平臺(tái)改變FBG的應(yīng)變，測(cè)量相應(yīng)應(yīng)變下的FBG的反射光譜。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變變化范圍為0～700με，測(cè)得摻鐿-石英FBG和鉺鐿共摻-石英FBG的布拉格波長(zhǎng)λ_B-應(yīng)變曲線分別如圖4(a)和4(b)所示。

圖 4 (a)摻鐿-石英FBG布拉格波長(zhǎng)λ_B?-應(yīng)變曲線;(b)鉺鐿共摻-石英FBG的布拉格波長(zhǎng)λ_B?-應(yīng)變曲線

實(shí)際應(yīng)用中異質(zhì)FBG應(yīng)變范圍可能受限于異質(zhì)FBG的材料和熔接點(diǎn)的熔接強(qiáng)度。可以看出異質(zhì)FBG中兩個(gè)FBG布拉格波長(zhǎng)均隨著溫度的增加而線性增大。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，摻鐿-石英FBG中摻鐿FBG和石英FBG應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)都為1.40pm·με^－1，鉺鐿共摻-石英FBG中鉺鐿共摻FBG和石英FBG應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)分別為1.43pm·με^－1和1.41pm·με^－1。兩類異質(zhì)FBG中所得到的不同材料光纖的溫度和應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)如表1所示。

表 1 兩類異質(zhì)FBG的溫度和應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)

可以看出，在石英光纖和不同摻雜光纖中刻寫(xiě)的FBG應(yīng)變系數(shù)基本相同(1.40～1.43pm·με－1)。摻鐿FBG和石英FBG溫度系數(shù)相差不大，均在9.26～9.46pm·℃^－1之間;而鉺鐿共摻FBG溫度系數(shù)為11.07pm·℃^－1，明顯大于摻鐿FBG和石英FBG。因此，利用具有較大溫度響應(yīng)系數(shù)差異的鉺鐿共摻和石英光纖熔接后刻寫(xiě)的異質(zhì)FBG更適合用于溫度、應(yīng)變雙參量測(cè)量。摻鐿光纖雖然和石英FBG波長(zhǎng)不同，但溫度和應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)差別較小，無(wú)法用于雙解調(diào)。?由(4)式可進(jìn)一步得到異質(zhì)FBG的布拉格波長(zhǎng)偏移量與溫度應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系為?

Δλ_B1=K_T1ΔT+K_ε1ε_x， (5)?

Δλ_B2=K_T2ΔT+K_ε2ε_x， (6)?

式中:K_T1和K_ε1分別為鉺鐿共摻FBG的溫度、應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)，需在傳感測(cè)量之前進(jìn)行標(biāo)定;K_T2和K_ε2為石英FBG的溫度、應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)。解調(diào)時(shí)，通過(guò)測(cè)得鉺鐿共摻FBG和石英FBG的布拉格波長(zhǎng)偏移量，再由(5)式和(6)式構(gòu)成的方程組解析可得溫度和應(yīng)變量。

3、異質(zhì)FBG耐溫特性?

將鉺鐿共摻-石英FBG置于管式爐中，在600℃下退火2h，再升溫至 800℃退火15min后，研究異質(zhì)FBG的耐溫特性。經(jīng)過(guò)退火過(guò)程后，鉺鐿共摻-石英兩部分FBG的反射率都有下降。鉺鐿共摻FBG反射率由－3.528dB下降到-17.33dB并穩(wěn)定，石英FBG反射率由－2.277dB下降到－3.28dB并穩(wěn)定。這可能是因?yàn)樵谕嘶鸬倪^(guò)程中，一些高溫下不穩(wěn)定的光柵結(jié)構(gòu)被擦除了。接著將管式爐的溫度分別設(shè)置為300，400，500 ℃，分別保持0.5h，之后再將管式爐溫度分別設(shè)置為600，700，800℃，分別保持3h，并且在溫度保持過(guò)程中觀察鉺鐿共摻-石英FBG反射光譜的變化。不同溫度下鉺鐿共摻-石英FBG反射率隨保持時(shí)間的變化曲線如圖5所示。?

圖 5 不同溫度下鉺鐿共摻-石英 FBG 反射率隨保持時(shí)間的變化曲線

由圖5可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)退火過(guò)程后，鉺鐿共摻-石英FBG在700℃高溫下兩段FBG反射率都具有較好的穩(wěn)定性。在800℃時(shí)，石英FBG反射率逐漸下降，鉺鐿共摻FBG反射率急劇下降，石英FBG的反射率退化速度相對(duì)于鉺鐿共摻較慢，這主要是由于刻寫(xiě)的石英FBG具有更高的折射率調(diào)制度。以上結(jié)果表明，鉺鐿共摻-石英異質(zhì)FBG可以在700℃ (或700℃以下)穩(wěn)定工作。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化加工條件，在異質(zhì)光纖中制備出Type II型FBG，有望能使異質(zhì)FBG的耐溫特性提升到1000℃。

3總結(jié)

將摻雜光纖和普通單模石英光纖熔接在一起，并利用高峰值功率的飛秒激光結(jié)合相位掩模板法在熔接點(diǎn)處制備了光柵形成異質(zhì)FBG;測(cè)量了摻鐿-石英FBG和鉺鐿共摻-石英FBG兩類異質(zhì)FBG的溫度、應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)測(cè)量。結(jié)果證明:摻鐿-石英FBG對(duì)溫度和應(yīng)變的響應(yīng)系數(shù)相差不大，但鉺鐿共摻-石英FBG的溫度響應(yīng)系數(shù)差異較大。溫度響應(yīng)系數(shù)差異較大，應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)相近表明鉺鐿共摻-石英FBG可應(yīng)用于溫度、應(yīng)變雙參數(shù)傳感測(cè)量。鉺鐿共摻-石英FBG的耐溫特性表明該異質(zhì)FBG可以在700℃(或700℃以下)穩(wěn)定工作。(作者：曹后俊，刊名：中國(guó)激光)

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總結(jié)

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