基于保偏光纖干涉儀的溫度扭曲雙參量傳感器

白凌超, 馮 碩, 吳 垚, 陳雪峰, 于秀娟,

(1.黑龍江大學 物理科學與技術學院, 哈爾濱 150080;2.黑龍江大學 黑龍江省超構材料物理與器件重點實驗室, 哈爾濱 150080)

0 引 言

1966年，美籍華裔物理學家高錕首次提出高純度的石英光纖可以作為長距離通信的媒介[1]。20世紀70年代，伴隨光纖和激光器的研究，光纖通信和光纖傳感技術得到了快速發展[2]。光纖傳感器憑借其體積小、質量輕、靈敏度高、抗電磁干擾和耐腐蝕等優勢，被廣泛應用于各個領域，如軍事、農業、環保、醫學和交通等[3-6]。扭曲是結構評估中的重要力學參量之一，研究結構的扭曲狀態對評估土木工程、橋梁隧道、建筑結構以及航空航天器件的性能安全尤為重要。目前，扭曲傳感器已經被應用于汽車電子、人工智能、土木結構以及航空航天等領域。在實際應用中對扭曲進行測量時，需要考慮環境溫度對傳感器性能的影響，尤其在一些極端環境中，環境溫度變化會導致傳感器的信號發生偏差，引起溫度交叉串擾。因此，研究扭曲和溫度雙參量同時測量的光纖傳感技術，消除溫度交叉串擾對扭曲測量的影響，對于提高系統結構安全性與實用性具有重要意義和應用價值。

光纖光柵在扭曲傳感方面已有報道，如長周期光纖光柵扭曲傳感器[7-12]、光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating， FBG)扭曲傳感器[13-14]和高雙折射率光纖光柵扭曲傳感器[15]等。2016年，Zhang等提出了一種基于雙模光纖的螺旋長周期光纖光柵扭曲傳感器，其靈敏度為 0.47 nm·(rad·m-1)-1[9]。基于干涉原理的光纖傳感器可應用于扭曲傳感，如采用兩個凹凸錐結構、球型結構或者螺旋形變結構形成馬赫曾德爾干涉型扭曲光纖傳感器[16-18]，不過這些結構大多需要飛秒激光和二氧化碳激光等造價高昂的激光器，制作工藝難度大。此外，Liu等報道了基于錯位熔接多種特殊光纖(多模光纖、七芯光纖和雙側孔光纖等)制備的馬赫曾德爾干涉型扭曲傳感器[19-21]，多次熔接容易產生較大的熔接損耗，影響傳感器的性能。

本文提出了一種基于保偏光纖(Polarization maintaining optical fiber, PMF)錯位焊接單模光纖(Single-mode optical fiber, SMF)的光纖干涉儀，在錯位熔接點處接入一個光纖布拉格光柵，從而形成干涉儀和光纖布拉格光柵的復合結構。在第一個錯位熔接點處，一部分光耦合到保偏光纖的包層中，在第二個錯位熔接點處，包層中的光耦合回纖芯與纖芯中的光發生干涉。通過監測光纖布拉格光柵和光纖干涉儀某一損耗峰的波長變化，實現溫度和扭曲同時測量。這種扭曲和溫度的雙參量光纖傳感器制作方式簡單，成本較低，靈敏度和穩定性高，為扭曲和溫度傳感提供了一種低成本的解決方案，在航天器、土木工程和橋梁隧道等結構健康監測中具有廣闊的應用前景。

1 原 理

研制的保偏光纖干涉儀的示意圖如圖1所示，保偏光纖是長飛公司生產的熊貓光纖PM1017-C。將一段保偏光纖的兩端錯位連接普通單模光纖，兩個錯位熔接點起到分光和合光的作用。在第一個錯位熔接點處，單模光纖纖芯中的光分成兩部分：一部分在保偏光纖的纖芯中進行傳輸，另一部分在保偏光纖的包層中進行傳輸。在第二個錯位熔接點處，保偏光纖中傳輸的兩部分光耦合回單模光纖的纖芯。由于兩部分光通過的路徑不同，產生了光程差，滿足干涉條件并發生干涉。在這個干涉儀制作過程中無需添加額外的耦合器。在第二個熔接點處連接一個FBG，用以監測溫度變化。

圖1 連有FBG的保偏光纖干涉儀示意圖

光纖干涉儀的強度可以表示為：

(1)

式中Δφ為纖芯和包層中傳輸光的相位差，可以表示為：

(2)

式中：n1和n2分別為保偏光纖的纖芯和包層的折射率；L為保偏光纖干涉儀的長度，即干涉儀的腔長。

當相位差滿足Δφ=(2m+1)π時，透射光譜強度在該波長處最小，即為光譜波谷的位置。代入式(2)可得：

(3)

當對保偏光纖干涉儀施加扭曲時，隨著扭曲角度的增加，光纖的狀態發生變化，可以引入扭曲率τ，其定義為：

(4)

式中：θ為扭曲角度；L1為扭曲長度。

扭曲對光纖的影響可以分成橫向剪切應力和縱向應力兩部分。剪切應力會影響光纖應力區域的折射率，折射率的變化與局部應力和光纖材料的彈光系數成正比。在扭曲過程中，光纖的纖芯剪切方向扭轉量最小，纖芯外的扭轉量隨著距離光纖中心距離的增加而增加，剪切應力在纖芯中心為0，向外成比例增大并在光纖外層邊緣達到縱向應力使保偏光纖發生輕微的形變[22]。光纖經過扭曲后引起的相位變化為[22]：

(5)

式中：δΔn=gco·τ·nco-gcl·τ·ncl；gco和gcl分別為纖芯材料和包層材料的彈光系數。扭曲產生的縱向應力是一個很小的值(ΔL1≈0)，可以忽略。扭曲引起的相位變化可以表示為[22]：

(6)

根據式(3)和式(6)，光纖被扭曲之后相應的波長變化應為[22]：

(7)

溫度變化時，熱膨脹效應引起傳感器中保偏光纖長度的改變，熱光效應改變光纖的有效折射率。隨著溫度變化，光纖干涉儀某一波谷位置的波長的漂移可以表示為[23]：

Δλm=λm·(α+ξ)·ΔT

(8)

式中：α為保偏光纖的熱膨脹系數；ξ為保偏光纖的熱光系數。

FBG的中心波長可以表示為：

λB=2neff·Λ

(9)

式中：Λ為FBG的折射率調制周期；neff為光纖纖芯模式的有效折射率。

溫度主要是基于熱光效應和熱膨脹效應影響FBG的中心波長。假設應力和壓力等其他因素變量保持不變，FBG中心波長隨溫度的變化可以表示為[24]：

(10)

式中：α為光纖的熱膨脹系數；ξ為光纖的熱光系數。

當溫度和扭曲同時作用于傳感器時，干涉儀的某一波谷和FBG的中心波長變化可以表示為：

(11)

式中：Δφ為扭曲角度變化量；ΔT為溫度變化量；Δλm和ΔλB分別為干涉儀某一波谷和FBG中心波長漂移量；k1φ和k1T分別為保偏光纖干涉部分對扭曲變化和溫度變化的靈敏度系數；k2φ和k2T分別為FBG的扭曲和溫度靈敏度系數。

根據式(11)，扭曲和溫度的變化可以表示為：

(12)

在實際應用中，溫度和應變靈敏度系數的具體數值可以通過標定實驗求得。通過監測保偏光纖干涉和FBG的波長漂移情況，即可實現扭曲和溫度的雙參量同時傳感。

2 實驗結果及討論

扭曲實驗系統示意圖如圖2所示，將保偏光纖干涉儀的一端連接寬帶光源，另一端連接光譜儀。其中光源的光譜范圍1 250～1 700 nm，光譜儀的型號為AQ6370D。實驗中采用保偏光纖熔接機(Fujikura FSM-100P)制作保偏光纖干涉儀，保偏光纖干涉儀的長度為5.0 cm，兩個熔接點的錯位量為5 μm，在第二個錯位熔接點處連接一個FBG。FBG的中心波長為1 540.20 nm，3dB帶寬小于0.3 nm，反射率大于90%。

圖2 扭曲實驗系統示意圖

保偏光纖干涉儀的光譜圖如圖3所示，可以看出，在波長1 480～1 600 nm形成了良好的干涉條紋，在干涉光譜中疊加著FBG的透射損耗峰。保偏光纖干涉儀的對比度最大可達10.68 dB，FBG的中心波長為1 540.20 nm，損耗峰幅度為15 dB。選取波長為1 544 nm的損耗峰作為溫度和扭曲傳感監測對象，如圖3標記的Dip1。

為了測試保偏光纖干涉儀的扭曲傳感特性，把干涉儀的一端固定，另一端利用光纖旋轉器對干涉儀施加扭轉。扭曲光纖的長度為30 cm，包括保偏光纖以及兩側的單模光纖。扭轉角度為順時針0°～360°以及逆時針0°～360°，間隔20°記錄一次數據。FBG的中心波長隨扭曲的變化如圖4所示。實驗過程中隨著扭曲角度的不斷增加，FBG對扭曲不敏感，中心波長保持在1 540.20 nm。

圖3 連接FBG的保偏光纖干涉儀的光譜圖

圖5 損耗峰Dip1的波長隨扭曲的變化Fig.5 Variation of the central wavelength of Dip1 with distortion

在扭曲實驗過程中，隨著扭曲度數的增加，保偏光纖干涉儀Dip1的損耗峰的波長發生紅移，如圖5所示，圖中正扭轉角度對應順時針扭轉，負扭轉角度對應逆時針扭轉。可以看出，當扭曲角度為順時針方向時，扭轉角度0°～120°，隨著扭曲角度的增加，Dip1波長逐漸增加，但增加量不大；扭轉角度120°～240°，隨著扭曲角度增加，Dip1的波長急劇增加，呈線性變化趨勢；當扭轉角度繼續增加時，波長漂移量又趨于平緩。逆時針方向時，扭曲角度0°～-90°，隨著扭曲角度的增加，Dip1波長逐漸增加；扭轉角度-90°～-200°，隨著扭曲角度的增加，波長急劇增加。在順時針和逆時針扭曲過程中，波長改變呈現對稱分布，并且均有一段波長隨扭曲變化的線性區間。在實際應用時，可以選擇線性區間作為傳感器的工作區間，通過監測波長的漂移量，可以測得扭曲角度值。

由圖5可以看出，扭曲角度-200°～-90°，波長隨著角度增加呈現線性變化。把線性區域的波長-扭曲角度數據進行線性擬合，如圖6(a)所示。擬合曲線的斜率為-0.031 nm/°，相關系數R2為0.991。由此得到傳感器的波長扭曲靈敏度為-31 pm/°。當順時針時，扭轉角度120°～240°，波長隨著角度增加呈現線性變化，線性擬合曲線的斜率為0.025 nm/°，波長隨扭曲角度變化的靈敏度為25 pm/°，相關系數R2為0.990，如圖6(b)所示。

圖6 (a) 逆時針方向線性區間； (b) 順時針方向線性區間

圖7 Dip1的幅度值隨扭曲的變化Fig.7 Variation of transmission of Dip1 with distortion

當對保偏干涉儀施加扭曲時，干涉儀損耗峰的強度變化如圖7所示。可以看出，當逆時針方向時，在扭曲角度0°～-140°隨著扭曲角度逐漸增加，Dip1的幅度值逐漸增加；扭曲角度-140°～-300°，隨著扭曲角度的增加幅度值逐漸減小，當扭曲角度超過-300°時，幅度值又開始增加；當順時針方向時，隨著扭曲角度增加，Dip1的幅度值逐漸增加，在扭曲角度0°～180°隨著扭曲角度的增加，Dip1的幅度值逐漸增加，在扭曲角度180°～340°隨著角度的增加，Dip1的幅度值逐漸減小，當扭曲角度超過340°后，幅度值又有增加的趨勢。幅度隨著扭曲的增加出現了類似振蕩的現象。扭曲使得纖芯和纖芯外的兩束光的光程差隨之變化，進而使得相位差發生變化。隨著扭曲角度的逐漸增加，相位差增加或者減少2π的整數倍， cos(Δφ)呈現周期性變化，光纖干涉儀光強公式中的干涉項在余弦函數的調制下呈現周期性變化，實驗現象與理論預期相符。

Dip1的幅度值在扭曲角度-360°～360°有4個線性區間，角度-280°～-160°，線性擬合曲線的斜率為0.032 dB/°，相關系數R2為0.994；角度-120°～0°，線性擬合曲線的斜率為-0.042 dB/°，相關系數R2為0.991；角度20°～160°，線性擬合曲線的斜率為0.035 dB/°，相關系數R2為0.992；角度200°～340°，線性擬合曲線的斜率為-0.030 dB/°，相關系數R2為0.990，如圖8所示。當扭曲角度為順時針和逆時針變化時，波長和幅度的變化趨勢基本對應。

(a) -280°～ -160°

(c) 20°～160°

(d) 200°～340°

(a) 波長-溫度擬合曲線

為了測試傳感器的溫度傳感特性，將傳感器放置在恒溫恒濕試驗箱里進行實驗。恒溫恒濕試驗箱為上海簡戶公司生產，型號為JTH-100P-A，溫度控制精度為±0.5 ℃，溫度分辨率為0.01 ℃。在溫度傳感實驗中，溫度25 ℃～80 ℃，間隔5 ℃記錄一次數據。每次記錄數據時間間隔大致為30 min，待溫度穩定后采集光譜數據。實驗測試的FBG和Dip1損耗峰的中心波長隨著溫度變化的曲線如圖9和圖10所示。可以看出，隨著溫度的升高，FBG和Dip1損耗峰的波長出現紅移現象。對波長溫度曲線進行線性擬合，得到FBG和Dip1損耗峰的中心波長溫度靈敏度分別為0.016 nm/℃和0.085 nm/℃，擬合曲線的線性相關系數R2分別為0.999 5和0.998。

(a) 波長-溫度擬合曲線

根據上述扭曲和溫度傳感實驗數據，當選用波長作為扭曲測量的傳感參量時，當逆時針扭曲光纖干涉儀時，可以選取扭曲角度-200°～-90°作為線性工作區間，可知k1φ、k1T、k2φ和k2T的數值分別是-0.031 nm/°、0.085 nm/℃、0 nm/°和0.016 nm/℃。將參數代入式(12)，得到扭曲和溫度的雙參量測量公式：

(13)

若選取扭曲角度120°～240°，可知k1φ、k1T、k2φ和k2T的數值分別是0.025 nm/°、0.085 nm/℃、0 nm/°和0.016 nm/℃。將參數代入式(12)，雙參量測量的矩陣公式則變為：

(14)

實際應用中，還可以選擇干涉儀的損耗峰幅度作為扭曲傳感參量，幅度隨著扭曲變化的線性區間比波長的線性區間更大。根據扭曲傳感的測量范圍，選擇不同線性區間作為工作范圍(順時針扭曲角度120°～ 240°和逆時針扭曲角度-200°～-90°)，可以在更大扭曲角度范圍內實現扭曲角度的測量。

3 結 論

研究了一種保偏光纖干涉儀結合FBG的扭曲和溫度的雙參量光纖傳感器。通過監測FBG和保偏光纖干涉儀某一損耗峰的波長漂移情況，結合扭曲溫度傳感矩陣，可以實現溫度扭曲雙參量同時測量。實驗結果表明，在扭曲角度120°～ 240°，該傳感器1 544.00 nm損耗峰的中心波長對于扭曲的靈敏度為25 pm/°，線性相關系數R2為0.990。損耗峰對溫度的靈敏度為85 pm/℃ ，線性相關系數R2為0.998。FBG中心波長對扭曲不靈敏，對溫度的靈敏度為16 pm/℃，線性相關系數R2為0.999 5。在扭曲實驗中，損耗峰的波長和幅度值均出現了振蕩現象，當扭曲角度為順時針和逆時針變化時，波長和幅度的變化趨勢基本對稱。實際應用時，可以根據扭曲測試范圍，靈活地選擇損耗峰幅度作為傳感參量，實現不同范圍的扭曲角度測量。本文報道的基于保偏光纖干涉儀和FBG的光纖傳感器，通過傳感矩陣實現了溫度-扭曲雙參量同時測量，為結構健康監測提供了一種低成本、小型化的解決方案。該光纖溫度扭曲雙參量傳感器結構簡單、成本低廉、靈敏度高，在土木工程、航空航天、汽車電子和人工智能等領域具有廣闊的應用前景。