基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究.pdf

本文网址：http:/www.ship- J.中国舰船研究,2024,19(2):252256.CHENG P,QIN H L,PU L.Displacement sensor with a wide dynamic range based on a balloon-like long-period fibergratingJ.Chinese Journal of Ship Research,2024,19(2):252256(in Chinese).基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究扫码阅读全文程朴*1，覃慧玲2，蒲亮11 华中光电技术研究所 武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 4302232 武汉船舶通信研究所，湖北 武汉 430205摘 要:目的目的针对光纤位移传感器动态范围窄的问题，设计一种结构简单、易于制备的气球形长周期光纤光栅（LPFG）位移传感器。方法方法采用 RSOFT 软件进行仿真与优化，得到光纤在不同曲率下的光谱形态，以此来确定测量区间。通过将多模光纤周期性嵌入单模光纤形成的气球形长周期光纤光栅（MMF-BLPFG），提供用于测量位移的参考峰。使用精密的连续切割装置作为实验基础，制备与仿真结果一致的实验样品进行测试。结果结果通过测量 2 个谐振峰的漂移，实现了 36 mm 的最大位移测量范围。结论结论该研究成果在舰船水下疏水空间管系的稳定性测量和连续监测等需要大规模测量的场景中具有良好的应用潜力。关键词：光纤传感器；长周期光纤光栅；位移传感器；折射率调制；气球形传感器中图分类号:U665.2文献标志码:ADOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03278 Displacement sensor with a wide dynamic range based ona balloon-like long-period fiber gratingCHENG Pu*1,QIN Huiling2,PU Liang11 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Huazhong Institute of Electro-Optics,Wuhan 430223,China2 Wuhan Maritime Communication Research Institute,Wuhan 430205,ChinaAbstract:ObjectiveAiming at the problem of the narrow dynamic range of current optical fiber displace-ment sensors,a balloon-like long-period fiber grating(LPFG)displacement sensor with a simple structure andeasy preparation method is designed.MethodsBased on simulation and optimization by RSOFT software,the measurement range is determined by the balloon-like optical fiber under different curvatures.A multimodefiber balloon-like LPFG (MMF-BLPFG)formed by periodically embedding multimode fiber (MMF)intosingle-mode fiber(SMF)provides a reference peak for measuring the displacement.Using a precise continu-ous cutting device as the experimental basis,test samples consistent with the simulation results are preparedfor testing.ResultsThe maximum displacement measurement range of 36 mm is achieved by measuringthe drift of two resonance peaks.ConclusionsThe proposed sensor has good application potential inlarge-scale measurement scenarios such as the stability measurement and continuous monitoring of the under-water drainage space piping systems of ships.Key words:optical fiber sensor；long period fiber grating；displacement sensor；refractive index modula-tion；balloon-like sensor 0 引言位移传感器在结构健康监测、精密加工和预测性维护中发挥了重要作用。舰船内部系统的液压、疏水、海水冷却等管系，在液体快速通过的时候会出现流体瞬变现象，可能造成管线颤抖，产生微位移，导致光线松动。为了测量这些对舰船安全造成威胁的微小扰动，位移传感器是必不可少的器件1。目前，电、磁和光学位移传感器已被广泛研究和应用。其中，光学传感器具有耐腐收稿日期:20230220 修回日期:20230423 网络首发时间:20230517 09:10作者简介:程朴，男，1979 年生，高级工程师覃慧玲，女，1981 年生，工程师*通信作者:程朴 第 19 卷 第 2 期中 国 舰 船 研 究Vol.19 No.22024 年 4 月Chinese Journal of Ship ResearchApr.2024蚀、抗电磁干扰和重量轻的固有特性，可以在极端温度、强电磁环境以及易燃易爆的恶劣环境中工作。因此，它们在位移测量中的地位不可替代。迄今，研究人员已开发了大量基于MachZehnder干涉仪（MachZehnder interferometer,MZI）、光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）、法布里珀罗干涉仪（FabryPerot interferometer,FPI）和可变线间距（variable line spacing,VLS）光栅的光学位移传感器。Li 等2提出了一种 FBG 位移传感器来监测浮板的减振情况。在 020 mm 的位移范围内，灵敏度为 33.36 pm/mm。Lu 等3使用具有锥形微纳光纤的 FPI 实现了高分辨率位移测量，位移灵敏度为 36.5 nm/mm，分辨率为 0.004 mm。Zhao 等4使用带有 2 个光纤球加七芯光纤的对称 MZI 传感器，实现了温度和位移的同时测量，位移和温度灵敏度约为 2.0 nm/mm 和 90.0 pm/，但位移测量范围仅为 0.48 mm。带有 VLS 光栅和 Y 型双芯光纤的位移传感器具有 30 mm 的宽测量范围，同时可以避免温度的串扰5。大多数光纤位移传感器专注于提高灵敏度，然而许多应用场景要求传感器具有较大的测量范围。气球形光纤传感器已应用于折射率6、温度7测量和双参数的同时测量8。例如，Tian 等9基于气球形弯曲结构实现了温度和位移的同时测量。最大位移测量范围为 100 m。Liu 等10使用通过弯曲单模光纤得到的球形结构测量折射率和温度。在前人研究中，气球形传感结构通常属于多模干涉仪类型。但是，这些传感器的主要问题是其通常具有较大的插入损耗（大多数超过30 dB）和密集的自由光谱范围。而光纤光栅具备较低的损耗以及大范围光谱内的单峰特性，使用光纤光栅制备球形位移传感器就成为了解决这些问题的良好方案。与干涉仪的多谐振峰以及制备的不稳定性等缺陷相比，光栅具有更低损耗和更少参考峰的优势。本文拟提出一种用于大动态范围位移测量的多模光纤（multimode fiber,MMF）气球形长周期光纤光栅（MMF-BLPFG）。光纤具有良好柔性，通过拉动光纤尾纤可以在很宽范围内任意改变气球形传感器的弯曲半径；当位移改变时，在光谱中可以清楚地看到谐振峰的衰减和生长。因此，新诱导出的谐振峰能够被用于扩展位移测量范围。首先，本文利用仿真软件设计光纤传感器，在理论上证明弯曲光纤传感器实现大范围位移传感器的可行性；然后，使用连续的光纤切割与熔接方法获得实验样品，通过实验研究分析不同位移对球形光纤光栅传输光谱的影响。1 制造和传感原理图 1 所示分别为直线 LPFG 和弯曲的 LPFG结构，MMF-BLPFG 结构的制备是通过 MMF 光纤（芯包层直径分别为 105 和 125 m）按照一定的周期插入到标准单模光纤（single mode fiber,SMF）（9/125 m）中。传感器的周期长度为 600 m，其中包含了一段 200 m 的 MMF 和一段 400 m 的SMF，总长度为 3.6 mm。然后，以 MMF-BLPFG 结构为中心，将两端的传输光纤弯曲并插入毛细管中便形成了气球形结构。其中，气球形结构的弯曲半径和长度分别定义为 r 和 L。单模光纤单模光纤LPFGrL毛细管纤芯模式包层模式400 m多模光纤105/125 m单模光纤9/125 m200 m(a)直线 LPFG 的示意图(b)气球形 LPFG 结构图 1气球形光纤光栅设计图Fig.1 Design drawing of balloon-like fiber grating neff当光纤由直变弯时，光轴两侧材料的有效折射率会发生变化，内测折射率相比外侧折射率更高。当光纤弯曲时，由光弹效应引起的横截面有效折射率分布（）的变化可以表示为10：neff=nco1+(ar)cos(1)nco式中：为光纤芯的折射率；a 和 r 为光纤芯半径和弯曲半径，为弯曲角度。可见，光纤的折射率在横向上是各向异性的，光轴内侧有效折射率减小，轴外有效折射率增大。当光沿着输入 SMF 到达气球形结构时，一部分光泄漏到包层中。随着光继续传输到 MMF-BLPFG 结构，由于 MMF 和SMF 之间的严重芯失配，光泄漏更加剧烈，并激发包层模式。同时，弯曲导致了折射率分布的不对称性，进而使得光纤的激光模场分布随之变化。2 理论仿真仿真光场分布如图 2 所示。由图可见，具有不同弯曲直径的 MMF-BLPFG 在不同波长处可以显示出多个谐振峰。同时，由于 MMF 中的光对第 2 期程朴等：基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究253于曲率的变化比较敏感，因此可以在传输光谱中观察到谐振峰随着曲率的变化而发生剧烈变化。与基于激光蚀刻的 LPFG 相比，MMF-BLPFG 的灵敏度不会受到弯曲方向的影响。X/m传输距离 Z/mm(a)未弯曲时传输光场分布(b)弯曲时传输光场分布600303030300601234X/m60006001归一化强度1234图 2仿真光场分布图Fig.2 Simulated light field distribution diagram ncoeffncl,meff弯曲方向变化时，芯模和包层模之间的有效折射率差（）表示为ncoeffncl，meff=neff+(ncoeffncl,meff)(2)neff；ncoeffncl,meff式中：为无弯曲情况下芯模和包层模之间的有效折射率差和分别为曲率变化引起的芯模和 m 阶包层模的有效折射率变化。LPFG的谐振峰满足如下相位匹配条件：res=(ncoeffncl,meff)(3)res式中：为谐振波长；为 MMF-BLPFG 的周期长度。从模拟结果和理论分析结果来看，谐振波长会随着曲率的改变而改变。因此，在原始谐振峰因曲率过大消失时，可以通过新生的谐振峰来扩展动态范围。LP02图 3 比较了实验和模拟的透射光谱。与模拟不同，实验中的轻微缺陷会导致谐振波长和插入损耗的轻微偏差。实验透射光谱的插入损耗为9.30 dB，对比度为 14.94 dB。MMF-BLPFG 在谐振波长（1 552 nm）处的耦合模式为。尽管受激包层模式较低，但随后的模拟结果也表明，耦合模式的阶数随着曲率的增加而提高。LP02LP04MMF-BLPFG 在直线和不同弯曲直径下的透射光谱如图 4（a）所示。在不同曲率下，分别在和耦合模式下发生谐振，谐振峰出现在不同的波长处。由于光纤的光轴两侧折射率的不对称性，不同曲率的 BLPFG 具有不同的耦合模式。此外，随着弯曲直径的减小，MMF-BLPFG 的耦合模式变得更高。为探索传感器制备方法的稳定性，制备了 3 个具有相同参数的 MMF-BLPFG样品，如图 4（b）所示。实验结果表明，SMF 和MMF 二者间的拼接长度误差将导致插入损耗和谐振波长存在微小的差异。3 个样品的平均波长为1 554.8nm，连续拼接的小误差对 MMF-ELPFG 的谐振峰深对比度有显著影响。波长/nm弯曲直径/cm06.628LP02LP04LP084.4621 200501 3001 4001 5001 60040302010波长/nm(b)3 个 MMF-BLPFG 样品1 300251 4001 5001 600样品 1样品 2样品 31 7002015105(a)具有不同弯曲直径的 MMF-BLPFG传输损耗/dB传输损耗/dB5.550图 4仿真传输光谱Fig.4 Simulated transmission spectra 3 实验结果与讨论图 5 为位移测量装置示意图。在测量装置中：毛细管由石蜡固定，牢固且可重复使用；光纤 波长/nm1 200251 3001 4001 500LP02峰值为 1 552 nm峰值为1 556 nm实验结果1 6001 7002015105模拟结果传输损耗/dB图 3模拟与实验结果的透射光谱比较Fig.3 Comparison of transmission spectra between the simulatedand experimental results254中 国 舰 船 研 究第 19 卷被弯曲成气球形，并保持水平；样品放置时被夹在同一水平的支架上；电动位移台用于拉伸 MMF-BLPFG；两端的 SMF 与超连续光源和光谱分析仪相连，监控实时输出的透射光谱。传感器部分石蜡夹具光谱仪控制器位移平台加热台30 SET超连续光源图 5位移测量装置示意图Fig.5 Schematic diagram of displacement measuring device 在室温下从 2.5 cm 的曲率开始测量 MMF-ELPFG 的位移响应。由于位移操作平台的拉伸改变了气球形结构的弯曲直径，谐振波长也相应地发生了改变。在光纤拉动的过程中，由于传感器的曲率直径减小，会影响光栅内部的耦合常数。耦合常数满足公式：T=sin2(Lg)(4)Lg式中：T 为交流耦合的最大值；为耦合系数；为光栅长度。从式（4）可见，光栅长度为定值，耦合系数直接影响了交流耦合，进而影响了消光比。由图 6不同位移下的透射光谱可见，传感器在不同位移范围（从曲率 5.55 mm 开始，014 和 1636 mm）内具有可用谐振峰。在 014 mm 内，因 1 500 nm附近的谐振峰没有产生足够的对比度，1 350 nm附近的谐振峰可以满足测量要求。然而，当测量范围为 1636 mm 时，2 个谐振峰的对比度相反。随着位移的增加，传感器的谐振峰发生红移。在 036 mm 测量范围内，最大位移灵敏度为（11.8760.230）nm/mm。此外，我们研究了温度对传感器的影响。为了同时获得 2 个谐振峰的温度响应，实验测量弯曲直径为 4.52 cm 的气球形结构的温度灵敏度。如图 7 所示，当温度升高时，2 个谐振峰没有明显的波长偏移。通过波长和温度之间的线性拟合，得到 2 个谐振峰的温度灵敏度分别为 10 和12 pm/C，低于大多数传感器的温度灵敏度11。相较于传感器的平均位移灵敏度，该传感器的温度串扰约为 625 C/mm，因此，传感器能够一定程度上避免温度串扰。温度/波长/nm1 30045谐振峰 1谐振峰 1谐振峰 2谐振峰 2线性拟合 1线性拟合 2y2=0.012x+1 511.855y1=0.010 x+1 371.127波长/nm传输损耗/dB301 320456075901051 3801 4401 5001 5601 4001 5001 6004035302520图 7不同温度下的透射光谱以及波长与温度之间的线性拟合Fig.7 Variation of transmission spectra under the different tem-peratures and the linear fitting between the wavelength andtemperature 表 1 对比了本文研究结果与文献 12-14 光纤位移传感器研究结果。由表可见，大部分研究着眼于测量的灵敏度而忽视了测量范围的重要 波长/nm0 mm6 mm12 mm2 mm8 mm4 mm10 mm14 mm传输损耗/dB1 300501 4001 5001 60045403530252015波长/nm16 mm24 mm32 mm18 mm26 mm34 mm20 mm28 mm36 mm22 mm30 mm传输损耗/dB1 300551 4001 5001 60050454035302520位移/nm(a)014 mm(b)1636 mm(c)位移与波长之间的多项式拟合波长/nm051525351020301 3501 5001 5501 600y=0.23x24.98x+1 518.04R2=0.984y=0.11x2+1.05x+1 338.07R2=0.9951 650图 6不同位移下的透射光谱Fig.6 Transmission spectra under different displacements 波长/nm0 mm6 mm12 mm2 mm8 mm4 mm10 mm14 mm传输损耗/dB1 300501 4001 5001 60045403530252015波长/nm16 mm24 mm32 mm18 mm26 mm34 mm20 mm28 mm36 mm22 mm30 mm传输损耗/dB1 300551 4001 5001 60050454035302520位移/nm(a)014 mm(b)1636 mm(c)位移与波长之间的多项式拟合波长/nm051525351020301 3501 5001 5501 600y=0.23x24.98x+1 518.04R2=0.984y=0.11x2+1.05x+1 338.07R2=0.9951 650第 2 期程朴等：基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究255性。干涉型传感器虽然可以获得较大的动态范围，但是传感器易出现参考峰重叠，在实际应用中存在一定困难。相比于其他方案，本文所提方案在测量范围与实际应用难度方面有较大优势。表 1 不同传感方案测量动态范围对比Table 1 Comparison of measuring dynamic range of differentsensing schemes年份方案测量范围2022气球形光纤结构1222 mm2020双级联气球形光纤结构1390 m2021基于面耦合方法的塑料光纤143 000 m2022本文方案 MMF-BLPFG36 mm 4 结语本文着眼于大范围的位移测量需求，设计了一种基于 MMF-BLPFG 的光纤位移传感器，通过实验与仿真进行了验证，解决了光纤位移传感器动态范围较小的难题。由于在不同弯曲直径下有效折射率会发生变化，基于 MMF-BLPFG 光的纤位移传感器可以在不同的测量范围内选择不同的谐振峰来扩大测量的动态范围，其最大位移测量范围达到了 36 mm。此外，不敏感的温度响应进一步降低了温度串扰对位移测量的影响。本文所提光纤位移传感器具有制备简单、多波段监测、动态范围广等优点，预计在对舰船安全造成威胁的内部液体瞬变现象的监测方面具有良好的应用前景。参考文献：李志忠,叶家玮.波浪补偿稳定平台运动响应位移测量数据处理方法研究 J.中国舰船研究,2010,5(3):3033.LI Z Z,YE J W.Study on measured data processing meth-od of wave compensation stable platform motion responsedisplacementJ.Chinese Journal of Ship Research,2010,5(3):3033（in Chinese）.1 LI H,XU G,GUI X,et al.An FBG displacementsensor in deformation monitoring of subway floatingslabJ.IEEE 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