結構調制型長周期光纖光柵溫度傳感器研究

摘 要：燃油系統的溫度監測對于飛行器的安全、性能和可靠性至關重要。本文提出并測試了一種基于激光蝕刻法在保偏光纖上制備的長周期光纖光柵溫度傳感器，有望用于飛機內部液體溫度監測。通過解調該種光纖光柵諧振峰的波長變化，可以實現對環境溫度的精準測量。試驗結果表明，該傳感器具有83.1pm/℃的溫度靈敏度和0.32 pm/με的低應變響應。由于光纖具有耐腐蝕、抗電磁干擾，不易產生電火花等特性，在替代電學傳感器使用時可以提升飛行器的安全性。

關鍵詞：光纖傳感； 溫度監測； 保偏光纖； 長周期光纖光柵

中圖分類號：V219 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.04.009

基金項目： 航空科學基金（201608P6003）

飛行器燃油系統的溫度監測非常重要[1]。由于液體在不同溫度下會發生物理性質的變化，容易影響飛行安全。如燃料儲存溫度會直接影響燃料的流動性、燃燒效率以及燃燒產物的生成。過高或過低的燃料溫度可能會導致燃燒不完全、發動機工作不穩定甚至故障[2]。同時飛行器在高空條件下，如水等液體長期在低溫度下會結冰，從而導致管道系統的變形和漏損。因此，對飛行器內部儲存的液體溫度進行有效監測，可以幫助維護人員及時發現異常情況，采取相應的維修和保養措施，從而延長設備壽命，確保飛行安全。相比于傳統的電學溫度傳感器，光纖傳感器抗電磁干擾性強，可以在電磁環境復雜的航空器內部穩定工作[3]。其體積小的優點適用于航空器內部有限的空間和重量要求。同時光纖傳感器可以耐受液體中的化學腐蝕，適用于存儲不同類型液體的環境。此外，光纖傳感器的精度相對較高，能實時監測被測溫度的變化情況。因此，光纖傳感器作為一種可行方案，近年來被相繼提出[4-6]。但是在光纖傳感器的應用過程中，還存在一些典型問題，如大部分光纖傳感通過波長的移動解調外界環境變化，傳感器在進行溫度測量的同時，自身還會受到其他力學參數影響，這種干擾很難消除，使得這些傳感器在高振動環境下應用受限。

本文針對航空器內部液體溫度監測的需求，提出了一種基于激光蝕刻法在保偏光纖上制備的長周期光纖光柵傳感器。保偏光纖廣泛應用于航天、航空、航海、工業制造技術及通信等國民經濟的各個領域。典型的保偏光纖為熊貓型保偏光纖，其結構特點為光纖纖芯兩側存在兩個對稱的應力柱。由于應力柱對纖芯會產生拉應力，導致光纖中產生雙折射現象，從而可以保持光纖內部傳輸光的線偏振方向。由于其預制棒尺寸大，適合大批量生產，成本相對較低，所以本文中采用的保偏光纖均為熊貓型。在此基礎上，利用CO2激光器在保偏光纖的單側應力柱進行周期性的刻蝕，制備了一種保偏光纖長周期光纖光柵（PM-LPFG），由于光柵傳感單元的特殊結構，使得光彈效應和光柵周期長度帶來的應變影響被抵消，導致該傳感器對應變物理參數相對不敏感。

1 光纖光柵型溫度傳感器

在光纖光柵型溫度傳感器的發展過程中，基于布拉格光纖光柵（FBG）的光纖溫度傳感器是最早被提出的傳感器，也是目前發展最為成熟的光纖光柵傳感器。受限于光纖材料的熱光系數和熱膨脹系數，FBG 溫度傳感器的溫度靈敏度一般較低。為此，研究人員通過改變制備FBG的光纖材料來改善其溫度靈敏度。Secongmin等[7]基于PbOGeO2-SiO2玻璃光纖研制并演示了高靈敏度FBG溫度傳感器。由于PbO-GeO2-SiO2玻璃光纖的熱膨脹率比普通SiO2提高了40%左右，該傳感器的溫度靈敏度達到0.0173nm/℃。此外，對FBG光纖傳感器的測量范圍的擴展也是研究的重點。Hsiao等[8]研究了金屬涂層FBG作為高溫傳感器的性能，在極端溫度環境下評估了氮化鉻（CrN）涂層FBG傳感器的性能，并與裸FBG的性能進行了比較。在100～650℃的溫度范圍內，CrN涂層FBG傳感器的溫度靈敏度達到了14.0pm/℃。基于長周期光纖光柵（LPFG）的光纖溫度傳感器發展比FBG稍晚，目前實際應用的案例還比較少，但是LPFG在制作方法上更加多樣，同時溫度靈敏度較FBG更高。Jiang Chen等[9]演示了在保偏光纖中使用CO2激光器制作的螺旋長周期光柵，該傳感器的溫度靈敏度達到了158.8pm/℃。Chen Maoqing等[10]提出一種采用級聯干涉儀實現的低成本全光纖應變溫度傳感器，溫度靈敏度達到了135.19pm/℃。Wang Qi等[11]提出了一種基于具有聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層的LPFG溫度傳感器，依靠PDMS的高熱光系數，該傳感器在20～80℃范圍內具有255.4pm/℃的高溫靈敏度，測量分辨率高達0.078℃。但是這些傳感器都沒有給出自身的應變響應，很難計算出由應變參量引起的溫度串擾。多參量同時測量是解決這一問題的有效方法之一，目前已經有許多用于多參量測量的光纖傳感器被提出。但是多參量同時測量傳感器的解調會更復雜。

2 保偏光纖長周期光纖光柵溫度傳感器的制備

光在理想的單模光纖中傳輸時其偏振態不會發生變化，但是單模光纖在制造的過程中，不可避免地存在結構的不對稱性，因此光纖中會存在殘余應力。殘余應力和外部應力會使單模光纖產生雙折射效應，從而導致偏振光在傳輸過程中相互耦合，發生偏振色散現象。所以普通單模光纖傳輸的偏振光無法保持原有的偏振模態。保偏光纖由于具有雙側應力柱結構，可以保持其內部的傳輸光線偏振方向，因此能夠減少光信號傳輸過程中各種物理參量變化對信號的影響。保偏光纖長周期光纖光柵的結構示意圖如圖1所示，PM-LPFG結構的周期長度為？。該結構是通過在保偏光纖上用CO2激光器刻蝕多個長為L、深度達到50μm的凹槽制備。刻蝕位置的保偏光纖應力柱已經被激光完全熔化，應力柱的缺失導致纖芯的折射率發生周期性變化。

圖2為實驗中使用的基于CO2激光器的光纖傳感器制備系統，該系統主要由兩個部分組成。第一部分為CO2激光器，該激光器發出激光脈沖的發射路徑與輸出功率、頻率等參數都可以通過配套電腦中的軟件控制，因此可以在光纖上進行精確刻蝕。第二部分為實時監測系統，主要包括用于監測光纖刻蝕情況的側面觀察系統和用于監測光纖結構光譜的光譜監測系統。側面觀察系統由電荷耦合器件（CCD）和顯示屏組成，用來觀察激光刻蝕過程中光纖的形態變化。光譜監測系統包括超連續譜光源和光譜儀，光源用來提供入射光，光譜儀則用于監測刻蝕過程中結構的光譜以便于實時調整激光器的輸出參數。

PM-LPFG的制備過程非常簡單，主要分兩步進行：（1）通過光纖熔接機將一段長為1cm的保偏光纖與兩根單模光纖熔接，然后將該SMF-PMF-SMF結構放置于相襯顯微鏡下觀察，確定好保偏光纖應力柱的位置，并用標簽紙標記。（2）將標記好的結構放置在圖2所示的光纖傳感器制備系統中，將應力柱朝上正對激光器，通過電腦程序控制激光器對應力柱刻蝕。刻蝕時激光器的輸出功率設為10W，按照程序設計好的掃描軌跡重復掃描8遍。根據程序設計在保偏光纖上刻蝕出了20個寬度為300μm、深度為50μm的凹槽，兩個凹槽的間隔為150μm，如圖3所示。因此所制備的PM-LPFG的周期？為450μm，周期數N=20。通過上述過程制備的PM-LPFG的透射光譜如圖4 所示。

3 保偏光纖長周期光纖光柵的原理分析

利用CO2激光器對光纖進行刻蝕時，激光脈沖會導致二氧化硅的氣化和熔融。這一過程中會產生熱效應，并釋放光纖中的殘余應力，從而導致光纖折射率的變化。因此，對光纖進行周期性的刻蝕會使得光纖產生周期性的折射率調制。周期性的折射率調制會導致同向傳輸的纖芯基模與包層模發生耦合，從而形成LPFG，這是大部分LPFG的形成機理。PM-LPFG的形成機理也是周期性的折射率調制，只是導致周期性折射率調制的產生原理稍有差異。在保偏光纖中，纖芯兩側具有對稱的摻硼應力柱，這兩根應力柱會對保偏光纖的纖芯和包層施加應力。PM-LPFG通過周期性地刻蝕保偏光纖的應力柱制備而成，從圖1中可以看到刻蝕位置保偏光纖的應力柱已經被激光脈沖熔化，在刻蝕的位置只有一側的應力柱對保偏光纖施加應力。刻蝕區與非刻蝕區的纖芯會受到不同的應力，從而具有不同的折射率。因此對PM-LPFG而言，除了CO2激光脈沖導致的周期性折射率調制以外，周期性的應力柱缺失也會導致周期性的折射率調制。

由于PM-LPFG的形成機理與普通的LPFG相同，PMLPFG的諧振波長依舊滿足相位匹配條件。此外，保偏光纖中的快軸和慢軸具有不同的纖芯和包層折射率，因此PMLPFG的透射譜中會存在兩個相鄰的諧振峰。但是由于LPFG的3dB帶寬較大，且兩個諧振峰較為接近，在透射譜中可以看到兩個諧振峰幾乎融合為一個峰。利用一個偏振控制器，分別射入偏振方向與慢軸平行和與快軸平行的偏振光，獲得PM-LPFG的快軸透射譜和慢軸透射譜，如圖5所示。

4 保偏光纖長周期光纖光柵傳感特性研究

4.1 溫度傳感特性分析

PM-LPFG的溫度傳感特性的試驗測量裝置如圖6所示。在測量過程中，PM-LPFG被放置在溫度控制臺上，并用光纖夾具固定。輸入光纖依次與偏振控制器（PC）和超連續譜光源（SC）連接，SC能提供1000～1700nm的光，PC可以控制輸入光的偏振態。輸出光纖與光譜儀（OSA）連接，OSA用于監測記錄隨溫度變化的光譜。

試驗開始后，首先將溫度控制臺的溫度設為30°C，等溫度穩定后，用OSA記錄下光譜數據并保存，然后將溫度控制臺的溫度設置為40°C，等溫度控制臺的溫度升高到40°C并穩定后，再次記錄下光譜數據。重復上述操作，每隔10°C記錄一次PM-LPFG的光譜，最終獲得30～100°C的光譜變化。最后，將OSA中儲存的光譜數據依次導出并利用數據處理軟件進行處理分析。在本次試驗中，通過調節PC依次對PM-LPFG的慢軸透射譜和快軸透射譜進行了溫度測量。

如圖7所示，隨著溫度的升高，PM-LPFG的快軸和慢軸透射譜的諧振波長都向長波移動，但是快軸透射譜的移動更明顯。根據溫度與波長變化之間的對應關系，通過線性擬合關系計算出PM-LPFG快慢軸譜線的溫度靈敏度，如圖8所示，PM-LPFG的慢軸透射光譜的溫度靈敏度為60.7pm/°C，快軸透射光譜的溫度靈敏度為83.1pm/°C，線性度為0.99。試驗結果表明PM-LPFG的快軸透射譜具有更高的溫度靈敏度，而且高于大部分LPFG傳感器的溫度靈敏度。

式（2）中右側第一項表示光纖熱光效應導致的纖芯和包層有效折射率變化對溫度靈敏度的影響，第二項是熱膨脹效應導致的光柵周期長度改變對溫度靈敏度的影響。由于光纖材質主要為二氧化硅，它的熱膨脹系數遠低于熱光系數。因此，熱光效應是影響溫度靈敏度的主要因素，熱膨脹效應的影響可以忽略不計。對于PM-LPFG而言，當溫度升高時，基于彈光效應的作用，保偏光纖的應力柱在徑向上發生膨脹，應力柱對光纖纖芯施加徑向上的擠壓，進一步增大纖芯的折射率變化率，纖芯和包層的折射率變化率差增大，從而獲得了更高的溫度敏感性。由于PM-LPFG的快軸透射譜具有更高的溫度靈敏度，接下來的試驗將主要研究其快軸透射譜的傳感特性。

4.2 應變傳感特性分析

用圖9所示的裝置進行自動化應變測量。測量步驟如下：（1）將傳感結構用光纖夾具固定在兩端，并施加一個初始的應變，使光纖保持直線狀態，記錄下此時的光譜作為應變為0時的初始光譜。（2）用尺子測量出兩個夾具之間的距離，長度= 28.65cm。然后將步進電機的步長設置為160，對應于應變位移平臺的0.05mm。即應變位移平臺每移動一次，光纖受到的軸向應變約為174.5με。（3）記錄下每次PM-LPFG受到軸向應變后的傳輸光譜變化，直到光纖所受應變為1745.2με為止。在不同應變環境下PM-LPFG光譜變化如圖10所示。

如圖10可知，隨著軸向應變的不斷增加，光柵傳輸光譜的諧振波長幾乎沒有任何漂移，但是諧振峰的襯比度在逐漸減小，而在長波方向逐漸出現一個新的諧振峰，且襯比度逐漸增大，但是這個新的諧振峰襯比度不會對測量產生影響。PM-LPFG快軸透射譜對應變變化的線性擬合如圖11所示。

式（3）中右邊第一項表示光彈效應對應變靈敏度的作用，第二項表明軸向應力作用下，光柵周期長度變化對應變靈敏度的影響。軸向應力導致光柵周期長度的變化對靈敏度的貢獻很小，一般可以忽略。由于PM-LPFG其中一側的應力柱受到激光雕刻出現缺口并破壞了原本圓對稱結構，當施加軸向應力時，如圖12軸向受力結果仿真云圖12可知，大部分受力區域分布在缺口附近，這導致包層折射率變化率大于纖芯折射率變化率，所以式（3）中右邊第一項為負值。而當軸向拉伸時光柵周期隨著拉伸強度的增加而增大，所以式（3）中右邊第二項為正值。因此光彈效應和光柵周期長度帶來的應變響應的影響被相互抵消，對于PMLPFG來說表現出了低應變敏感特性。

5 結束語

本文提出了一種基于激光器刻蝕法制備的PM-LPFG溫度傳感器，并對其傳感性能進行了理論分析和試驗測量。試驗結果表明，該傳感器的溫度靈敏度為83.1 pm/℃，應變靈敏度為0.32pm/με。由于PM-LPFG具有低應變響應的特性，有望用于飛行器內部各類液體的溫度監測，同時該光纖傳感器具有安裝簡單、安裝范圍小、抗電磁干擾等優點。

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Study on Structurally Modulated Long-period Fiber Grating Temperature Sensor

Li Yuanyuan1， Tian Tian1， Chen Wenhuan1， Ma Yiwei1， Zhao Lei2， Geng Tao1

1. Key Laboratory of In-Fiber Integrated Optics of Ministry of Education，Harbin Engineering University， Harbin 150000， China

2. AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute， Xi’an 710065， China

Abstract： The temperature monitoring of fuel system is very important for the safety， performance and reliability of aircraft. In this paper， a long-period fiber grating sensor based on laser etching method is proposed and tested， which can be used for temperature monitoring of aircraft fuel system. By demodulating the resonant peak wavelength variation of fiber grating， the precise measurement of ambient temperature can be realized. Experimental results show that this sensor has a temperature sensitivity of 83.1pm/℃ and achieves a strain response of 0.32pm/με. Due to the characteristics of flexibility， corrosion resistance and electromagnetic interference resistance for the optical fibers， the proposed sensor can be flexibly installed in the complex structure of the aircraft， which has the ability to improve the safety and reliability of the aircraft.

Key Words： optical fiber sensing； temperature monitoring； polarization-maintaining fiber； long-period fiber grating