基于并联回音壁结构的光纤曲率传感器

刘睿洋,康 娟,徐 婷,汤 毅,赵春柳,李 裔

(中国计量大学 光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018)

弯曲曲率是机械、建筑结构健康检测领域中的重要参数,建筑结构的弯曲变形、道路路基的沉降、飞行器结构健康状况等都是曲率传感的重要研究方向[1-3]。研究者们设计并报道了多种干涉型光纤结构的传感器[4-6]。其中,基于宏观弯曲光纤结构的回音壁模式传感器因其结构简单、灵敏度高等优点,在应变、折射率、湿度等多个传感领域中被广泛应用。例如,Wu等[7]使用U形微通道模具制作了一种U形光纤应变传感器,并用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料封装,传感器获得了0.004 6 nm/με的平均应变灵敏度。Sarah等[8]提出了一种单模光纤弯曲制得的液滴型相对湿度传感器,并在弯曲结构上分别沉积了聚环氧乙烷和聚乙烯醇涂层进行比较研究,结果表明聚乙烯醇涂层传感器具有更高的相对湿度灵敏度-0.6 nm/RH%和更快的响应速度1.33 ms。Sung等[9]提出了一种光纤单弯曲环高温传感器,在250～700 ℃范围内获得了0.212 nm/℃的灵敏度。回音壁模式传感器虽然被应用于多种传感领域,但在曲率测量方面的研究还没有相关的报道。

本文通过将单模光纤弯曲成两个回音壁并联的结构,提出了一种并联回音壁结构(parallel whispering gallery mode,PWGM)光纤曲率传感器,并使用硅酮胶对结构进行封装。选择输出光谱中的两个特征波谷作为监测对象,研究了传感器的曲率测量特性。结果表明该传感器不仅对曲率的变化呈线性响应,而且能够对弯曲方向作出判断。该传感器灵敏度高,重复性好,具有良好的工程应用前景。

1 传感器制作与原理分析

图1为PWGM传感器的结构示意图,其制作过程如下:首先在一段单模光纤上套入两个长度为2 mm、内径为0.5 mm的毛细管,将光纤的尾端穿过其中一个毛细管形成液滴型结构;然后移动毛细管将液滴型结构的直径控制在6 mm,在毛细管中滴入UV固化胶来固定结构;最后将光纤尾端穿过另一个毛细管,使用相同操作制作另一个液滴型结构,组成PWGM结构。随后用硅酮胶对PWGM结构进行了固定封装,封装图如图1(b),在封装的短边两侧存在2 mm厚的“脚”,用于贴附在待测工件的表面。当待测工件发生沿z轴的弯曲时,“脚”受到的弯曲应力传递到PWGM结构,使传感器发生同样的弯曲。硅酮胶具有较低的弹性模量和较高的耐热性能,能够同时保证传感器的柔韧性和结构稳定性,提高机械强度。

图1 传感器结构示意图

图2为PWGM传感器的光路图。当入射光沿光纤传输到PWGM的弯曲部分时,部分光会从纤芯泄漏到包层中,若光纤的弯曲直径D1、D2合适,泄露到包层中的光在光纤包层和外界空气的界面处会发生全反射,形成回音壁模式。当光穿过弯曲部分后,泄漏到包层中的光会重新耦合到纤芯,与纤芯模式发生干涉,干涉光谱的特征波长λm可表示为[10]

图2 并联回音壁结构中的光路

(1)

式(1)中,Leff是弯曲部分光纤的有效长度,m为整数(例如,1,2,3…),Δneff表示纤芯和包层的有效折射率差值。

当传感器沿z轴方向发生弯曲而产生应变后,纤芯和包层之间会存在应变差Δε[11]

Δε=d×C。

(2)

式(2)中,d是纤芯中心与包层之间的距离,C是弯曲曲率。应变差Δε会导致纤芯与包层的有效折射率差值Δneff变为[12]

(3)

(4)

根据公式(4)可知当传感器的弯曲曲率C或有效弯曲长度Leff变化时,均会造成特征波长λm的漂移。本文设计的PWGM光纤传感器,Leff相较于单个回音壁结构更大,有利于进一步提高传感器的灵敏度。

此外,传感器特征波长的光谱凹陷深度对曲率的测量精度也会有影响,其输出光强表示为

(5)

式(5)中,Ic和IWGM分别表示芯模和回音壁模式的光强,φ为两种模式间的相位差。当Ic和IWGM越接近时,输出的干涉光谱的对比度越高。为了获得较高的光谱凹陷深度,可以通过调整D1与D2的相对差值来提升输出干涉光谱对比度。

2 实验结果与分析

2.1 曲率测量实验

图3为曲率测量的实验装置示意图,PWGM传感器的“脚”通过少量的环氧树脂胶固定在一片直径为10 cm的待测工件中心位置,待测工件由两个夹具固定在可调位移平台(红星杨科技,10 μm分辨率)上。在测试过程中,通过向里推动左侧位移平台使待测工件发生z轴正或负两个方向的弯曲,此时传感器的“脚”在随着待测工件的弯曲,带动传感器发生同样的弯曲,实现不同曲率的测量。宽带光源(浩源光电,HY-SLED)的中心波长为1 550 nm,使用光谱分析仪(YOKOGAWA,AQ6370)实时监测输出光谱的变化。

图3 曲率测量实验装置示意图

推动左侧的位移平台时,待测工件的弯曲曲率C与位移平台的推进距离s之间的关系可表示为[13]

(6)

式(6)中,r是弯曲半径,D是待测工件的直径,也是固定传感器的两个位移平台之间的初始距离。由公式(5)可获得待测工件的弯曲曲率。

在曲率测量时,首先记录了传感器初始状态下的输出光谱。实验过程中,位移平台按每步10 μm,共推进70 μm,观察并记录不同步进距离对应的曲率下传感器输出光谱的变化情况。图4为沿z轴正负两个方向弯曲时输出光谱随曲率C的变化图,可以看出,当沿z轴正向弯曲时,输出光谱红移,沿z轴负向则表现为蓝移。这是因为正向弯曲时PWGM传感器被拉伸,导致有效弯曲长度Leff增大,负向弯曲时传感器被压缩,导致Leff变小。

图4 不同弯曲方向的输出光谱随曲率的变化

选择光谱中的两个特征波谷dip1和dip2,分析其波长漂移量与曲率的变化关系,其结果如图5。可以看出在0～1.29 m-1的曲率范围内,沿z轴正向弯曲时dip1与dip2的曲率灵敏度分别为5.73 nm/m-1和6.15 nm/m-1,线性拟合度R2分别为0.991和0.996;沿z轴负向弯曲时dip1与dip2的曲率灵敏度分别为-3.64 nm/m-1和-3.66 nm/m-1,线性拟合度R2分别为0.981和0.995。实验结果表明,该传感器不仅能够通过波长解调方法测得曲率的变化情况,还可以判断弯曲的方向。

图5 dip1与dip2的线性拟合图

实验还研究了传感器的重复性,记录了dip1与dip2在传感器沿z轴正向3次相同弯曲下的漂移情况,结果如图6。计算出dip1与dip2的相对标准偏差分别不超过9.4%和7.8%,说明传感器具有良好的重复性。同样地,传感器沿z轴负向弯曲时也表现出了良好的重复性,能够满足实际测量的需求。

图6 传感器的重复性测试

表1归纳了不同结构的光纤曲率传感器的性能,可以看出,本文提出的PWGM传感器具有灵敏度高、可判断弯曲方向、结构简单,且成本低、机械强度高等优点,同时传感器结构无需拼接,损耗低[19]。

表1 光纤曲率传感器性能比较

2.2 温度测量实验

为了了解传感器的温度交叉响应特性,实验将传感器固定在加热平台上进行温度响应实验。温度从30 ℃逐步上升到55 ℃,每次间隔5 ℃,每次温度稳定10 min后记录输出光谱。如图7(a),随着温度上升,输出光谱蓝移,这是因为环境温度变化引起的热膨胀效应和热光效应[20]。dip1和dip2的波长漂移随温度变化的线性拟合如图7(b),dip1的温度灵敏度为-0.83 nm/℃,线性拟合度R2为0.995,dip2的温度灵敏度为-0.92 nm/℃,线性拟合度R2为0.994,温度交叉敏感问题对传感器曲率测量的影响不可忽略。

图7 温度测量结果

根据上述的实验,获得了两个特征波长的曲率灵敏度和温度灵敏度,以此来构建测量矩阵能够消除温度的交叉敏感问题,测量矩阵如下:

(7)

式(7)中,Δλ1和Δλ2是dip1和dip2的波长漂移量,ΔC和ΔT是曲率和温度的变化量。通过求解式(7)的逆矩阵,能够得到ΔC和ΔT,实现温度补偿。

3 结 论

本文提出了一种基于PWGM的光纤曲率传感器,并使用硅酮胶对传感器进行封装。根据PWGM结构中回音壁模式干涉原理,研究了传感器在不同弯曲方向下的曲率测量特性。实验结果表明传感器沿z轴正向弯曲时,输出光谱中的两个特征波谷的曲率灵敏度分别为5.73 nm/m-1和6.15 nm/m-1,沿负向弯曲时曲率灵敏度分别为-3.64 nm/m-1和-3.66 nm/m-1,据此可以对弯曲方向做出判断。此外,通过特征波谷的温度灵敏度和曲率灵敏度构建测量矩阵,避免了温度的交叉敏感。该传感器的PWGM结构具有比单个回音壁结构更长的有效弯曲长度,且有效提高了测量灵敏度,同时还具有结构紧凑,制作简单,结构强度高等诸多优点。