双F-P型高温_应变复合光纤传感器_郭煜恩.pdf

第 36 卷 第 2 期2023 年 2 月传 感 技 术 学 报CHINESE JOUNAL OF SENSOS AND ACTUATOSVol.36No.2Feb 2023项目来源:国家重大科技专项项目(2017V00030052)收稿日期:20220228修改日期:20220531Dual FP High Temperature/Strain Composite Optical Fiber Sensor*GUO Yuen，TAN Yuegang，L Wenqiang*(School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430079，China)Abstract:Aiming at the requirement of multistate monitoring of electromechanical equipment，a new optical fiber composite sensingmodel with dual FP cavities for simultaneous measurement of temperature and strain is proposed The pure quartz optical fiber isadopted as the main material to fabricate the proposed optical fiber composite sensor，in which the dual FP cavities used for tempera-ture and strain measurement are constructed by using chemical etching method and collimating capillary Sensor performance simulationand experimental verification of the fabricated sensor are carried out Experimental results show that，the dual FP temperature/strainoptical fiber composite sensor can measure the maximum temperature of 1 000 with the temperature sensitivity of 10998 pm/，andthe full-scale temperature measurement error is less than 2%;the maximum strain measured by the dual FP temperature/strain opticalfiber composite sensor is 10 000 with the strain sensitivity of 33268 m/，and the strain measurement error is less than 2%Thesimultaneous measurement of temperature and strain is realized by the proposed dual FP optical fiber composite sensor and it can beused for temperature and strain measurement at the same position of electromechanical equipmentKey words:sensing technology;multi parameter;optical fiber FP sensor;high temperature;strainEEACC:7230Edoi:103969/jissn10041699202302005双 FP 型高温/应变复合光纤传感器*郭煜恩，谭跃刚，吕文强*(武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430079)摘要:针对机电设备多状态监测的需求，提出了一种新双 FP 腔光纤温度/应变复合传感模型。该光纤复合传感器采用纯石英光纤作为材料，通过化学腐蚀法及使用准直毛细管制作了双 FP 腔，分别用以温度和应变测量，并对制作的传感器进行了传感性能的模拟仿真和实验验证。实验结果表明:该双 FP 腔光纤复合传感器测量的最高温度为 1 000，温度灵敏度为10998 pm/，满量程温度测量误差小于 2%;该双 FP 腔光纤复合传感器测量的最大应变为 10 000，应变灵敏度为3268 m/，应变测量误差小于 2%。所提出的双 FP 腔温度/应变光纤复合传感器实现了温度和应变的同时测量，可用于机电装备同一位置的温度、应变测量。关键词:传感技术;多参量;光纤 FP 传感器;高温;应变中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10041699(2023)02019806随着科学技术的发展，机电装备的监测需求在向着多测点、多参量监测方向发展，研究开发可同时传感多个参量的传感器已成为传感检测技术发展的一种趋势。相比于传统电磁传感器，光纤传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、容易复用等特点，适用于多种环境下的环境监测15。光纤复合传感主要分为两种机制。一种是采用基于光纤布拉格光栅的传感结构，通过反射光的光谱信息得到被测物理量的变化，可以对温度、应变、位移等力热参量进行直接或间接检测6。例如，Gao 等7 利用锥形光纤中刻写的多个光栅实现了温度和应变的同时测量，温度测量范围为 33 54，应变测量范围为 020 000，温度测量灵敏度为 2910 pm/，应变测量灵敏度为 037 pm/。Oliveria 等8 利用锥区和非锥区刻写的两个光栅实现了温度、应变以及折射率的测量，其中温度测量范围为 22 85，精 度 为 1 36，应 变 测 量 范 围 为 0 1 389，精度为 377。另一种是采用不同传感结构的组合。Kim 等9 通过保偏光子晶体光纤级联长周期光纤光栅实现了温度和应变的同时测量，温度测量范围为25 95，灵敏度为1514 pm/，应变测量范围为 02 244，灵敏度为141 pm/。上官春梅等10 制作了一种光纤法布里珀罗腔级联马赫曾德尔的双参量传感器，该传感器可以同时第 2 期郭煜恩，谭跃刚等:双 FP 型高温/应变复合光纤传感器实现 30 150 的温度测量以及 0450 的应变测量。但光纤光栅在高温下易发生畸变且存在测量范围小、结构复杂、成本高等不足1112。针对以上问题，本文提出了一种基于光纤 FP 传感器的传输、反射和干涉原理进行多参量(温度、应变)同步测量的传感器。本文设计的双 FP 高温/应变复合光纤传感器不仅满足了温度和应变同时测量的需求，而且能在最高 1 000 的温度下使用，可测量最大应变达到10 000，测量误差小于 2%。并且该传感器制作的方法简单，成本低，能满足工程中较高温度下对部件的多参量同时同步监测，具有良好的实用性。1双 FP 腔复合模型、传感原理及解调方法11双 FP 腔复合模型与制作过程为实现温度、应变的同步测量，提出两个 FP腔串联的双 FP 高温/应变复合光纤传感器结构。基于 FP 腔的光干涉原理，利用多 FP 腔之间反射光谱的叠加、调制，可实现多物理参量的同步测量。双 FP 腔串联结构干涉模型如图 1 所示，原理为入射光束在传播过程中经过反射面 1、反射面 2、反射面 3 和反射面 4。通过不断透射和反射，最终反射回到入射光纤中，并发生多光束干涉。图 1双 FP 腔串联的传感器干涉模型双 FP 腔串联传感器的光干涉模型主要由两部分组成，包括经 HF 腐蚀和熔接形成的纯石英光纤 FP 腔 1，作为温度传感器;再将上述的纯石英光纤连接一段传输光纤段并插入准直毛细管中，另取一段纯石英光纤也插入准直毛细管中形成 FP 腔3，作为应变传感器。当外界温度和应变参数改变时，腔 1 和腔 3 的腔长值 L1、L3 随之发生改变，进而改变对应的频率值，通过记录干涉光谱的频率变化，可以得到温度和应变值。传感 器 中 的 温 度 传 感 器 是 由 多 模 光 纤(625/125)和纯石英单模光纤通过腐蚀熔接工艺制作，制作过程中使用了 40%的 HF 溶液。应变传感器则是通过将两段纯石英光纤插入准直毛细管形成 FP 腔制成。流程如图 2 所示。图 2双 FP 腔高温/应变复合传感器制作流程12双 FP 腔的传感原理与解调方法双 FP 腔串联的传感器可以类比于单 FP 腔的工作原理。传感器的两个腔会因被测物理参量的变化而发生改变，主要影响 FP 腔介质材料的折射率或者腔长值发生改变，从而实现传感器的测量功能。双 FP 腔串联传感器总的反射光强记为式(1):图 3理论与实际光谱信号对比图I=I1+I2+I3+I4+2I1I2cos(212)+2I1I3cos(213)+2I1I4cos(214)+2I2I3cos(223)+2I2I4cos(224)+2I3I4cos(234)(1)式中:12、13、14、23、24、34分别代表腔 1，腔 1、2的混合腔，腔 1、2、3 的混合腔，腔 2，腔 2、3 的混合腔、腔 3 产生的相位差。I1、I2、I3、I4代表经过反射面 1、反射面 2、反射面 3 和反射面 4 后的反射光强。图 3 是理论光谱(a)和实际光谱图(b)的对比图。991传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷干涉模型中腔 2 的腔长 L2远大于腔 1 和腔 3的腔长 L1、L3。因此在进行信号解调时，可忽略腔 2的对应频率。温度腔的频率小于应变腔的频率，干涉光谱信号中包括低频信号和高频信号，高频信号为应变腔对应信号，低频信号为温度腔对应信号，两种信号都随着光频的增加而周期变化，通过 FFT 滤波器的高通滤波和低通滤波将叠加在一起的高频信号和低频信号分开，得到应变腔对应的高频干涉光谱和温度腔对应的低频干涉光谱。使用单峰追踪法对温度腔进行解调，单峰追踪法是根据光纤 FP 温度传感器干涉光谱某干涉级次的最大峰值或最小峰值的变化量来计算传感器的相对腔长变化。针对某一个干涉级次 m，可以由式(2)计算腔长变化量 L:L=(2m+1)m4(2)式中:m为光纤 FP 温度传感器的波峰偏移量，m 为干涉级次对应的波长变化量。使用傅里叶变换法对应变腔进行解调，得到绝对腔长值 d 的计算公式(3):d=ckdNv(3)式中:c 为光速，kd为峰值信号位置对应数字角标，v 为光谱仪输出的干涉光谱波长的间隔。图 4光纤 FP 温度传感器标定系统原理图2双 FP 腔复合传感器的测量特性21传感器的标定及测试分析光纤 FP 温度传感器的标定将制作好的光纤 FP 温度传感器和热电偶放在高温炉中相同位置，高温炉的温度精度为3，将高温炉温度从室温 20 上升到 1 000。保存温度传感器在 20、100 下的干涉光谱，再用光谱仪每间隔 100 记录保温 5 min 后的干涉光谱，实验装置如图 4 所示。得到的干涉光谱如图 5 所示，使用单峰追踪法对光谱进行解调得到的线性拟合曲线如图 6，图中各点即为波峰漂移情况。20 1 000 范围的拟合曲线为式(4):L=10998T241000 1(4)式中:L 为温度腔的变化，T 为环境温度。温度的灵敏度为 10998 pm/。图 5光纤 FP 温度传感器干涉光谱图 6光纤 FP 温度传感器腔长随温度变化线性拟合曲线光纤 FP 温度传感器的测试实验也采用如图 4所示的系统，把温度传感器放置在高温炉中，将高温炉温度分别设置为 50、250、450、650 和850，在各温度段保温 5 min，来保证高温炉温度场分布均匀。通过光谱仪记录传感器的干涉光谱，解调温度腔的腔长，通过之前进行的对温度传感器的标定，计算出传感器的温度值，重复进行三次实验。得到数据见表 1。表 1光纤 FP 温度传感器测量数据环境温度/第一次测量/第二次测量/第三次测量/测量温度平均值/均方误差5025045065085053225414552653185815292532457265618432541246145316557857453425114552655085303438545175数据表明温度传感器在进行随机温度测量时均方误差最值为 75，温度测量精度误差小于 2%。证明该双 FP 高温/应变复合光纤传感器中光纤FP 温度传感器的测量具有准确性。光纤 FP 应变传感器的标定及测试分析:将光纤 FP 应变传感器的毛细管和一端光纤利用 AB 胶固定在微位移平台的固定台上，另一端002第 2 期郭煜恩，谭跃刚等:双 FP 型高温/应变复合光纤传感器光纤固定在微位移平台的微动台上，移动微动台带动光纤沿毛细管轴线方向移动，通过改变两光纤端面之间的距离来改变应变传感器的腔长，通过光谱仪记录反射光谱。实验装置原理如图 7 所示。图 7光纤 FP 应变传感器标定系统原理图使用傅里叶变换法对干涉光谱进行处理，得到如图 8 所示的干涉光谱图(a)和对应的频谱图(b)。图 8光纤 FP 应变传感器干涉光谱和对应的频谱图使用微位移平台移动时对应的光纤 FP 应变传感器的腔长值计算对应的应变值，公式为式(5):=(LL0)/L1(5)式中:L0为应变腔的初始长度，L 为移动后的应变腔的腔长，L1为传感器标距距离。以微位移平台移动的距离作为理论应变值，通过干涉光谱计算出光纤 FP 应变传感器的应变值为测量应变值。绘制应变传感器的测量应变值和微位移平台得到的理论值随位移量变化的线性拟合曲线，如图 9 所示。根据实验数据可知，理论应变值和实际应变值图 9理论应变、光纤 FP 应变传感器测量应变与位移线性拟合曲线具有一致性，得到的线性拟合曲线表达式为如式(6)所示:=33268L85105(6)式中:为测量位移值，L 为微位移平台移动量。图 10 所示是光纤 FP 应变传感器测试系统，在室温下实验，将光纤传感器和应变片贴于等强度悬臂梁上，在砝码盘中逐次加砝码对等强度悬臂梁施加载荷，以 100 g 为间隔增加砝码至 1 000 g。用光谱仪记录光纤 FP 应变传感器的腔长，用应变仪记录电阻应变片的数值。图 10光纤 FP 应变传感器应变测试系统原理图图 11等强度梁上光纤 FP 应变传感器测量值、应变片测量值和理论计算值线性拟合曲线以放置的砝码质量为横坐标，等强度悬臂梁计算的理论应变值、光纤 FP 应变传感器和应变片测量应变值为纵坐标，得到曲线如图 11 所示。三种数据在实际测量中具有一致性，通过数据分析发现以理论计算值为真值计算的光纤 FP 应变传感器测量值的最大均方根误差为 27，以应102传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷变片数据为真值计算的最大均方根误差为 146。传感器的量程范围为 010 000，因此应变传感器的误差范围小于 2%。证明该双 FP 高温/应变复合光纤传感器中光纤 FP 应变传感腔的测量具有准确性。22动态传感特性分析进行高温动态激振实验，测试系统如图 12 所示。把双 FP 高温/应变复合光纤传感器和耐高温的应变片安装在等强度梁上，等强度梁放在在高温炉内，激振杆与等强度梁的施力位置连接，再连接好解调仪和应变仪，设置高温炉温度为 300 和600，通过函数信号发生器和功率放大器给予正弦信号使激振器带动激振杆做 5 Hz 的激振运动，再对等强度梁施加载荷，带动等强度梁振动。记录耐高温应变片测试数据和传感器的干涉光谱。对比 300 和 600 激振实验中应变片和传感器的应变变化曲线。图 13激振实验光纤传感器和应变片曲线根据应变数据绘制光纤和应变片所测得的应变变化对比图如图 13 所示。图 12高温动态测试系统图由图 13 中曲线可知，传感器和应变片两者的数据和趋势基本一致，证明在该条件下，双 FP 高温/应变复合光纤传感器的应变测量具有良好的准确性，传感器在动态激振条件下的准确性和动态响应性能良好。3双 FP 腔复合传感器的高温/应变测试将传感器封装在拉伸试件表面，再将试件安装到高温拉伸试验机上。设置参数:温度从 20 升温至 1 000，升温时间为 1 h，当温度达到 1 000 后，对拉伸件施加拉力，拉伸方式为 3 min 内施加1 000 N的拉力，然后保持拉伸力10 min 并记录传感器的干涉光谱。系统原理图如图 14 所示。根据温度标定和应变标定计算出传感器温度值和应变值。绘制以拉伸机显示温度为横坐标，传感器测量温度和应变值为纵坐标的线性拟合曲线，如图 15 所示。测量温度和显示温度具有一致性，拉伸件仿真数据和实验测量值数据同样具有一致性，在高温拉伸测试实验中双 FP 高温/应变复合光纤传感器温度和应变测量均具有高准确性且响应性能良好。图 14高温拉伸测试系统原理图图 15测量线性拟合曲线4结论本文研究了一种双 FP 型温度/应变复合光纤202第 2 期郭煜恩，谭跃刚等:双 FP 型高温/应变复合光纤传感器传感器，该传感器可同时测量温度和应变，其主要特色和性能如下:提出的新型双 FP 型串联复合光纤传感模型，可满足同步温度、应变测量的要求。设计的双 FP 型温度/应变复合光纤传感器具有耐高温、体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等环境适应强的优点。传感器的最高温度和最大应变分别为 1 000 和 10 000，并具有高灵敏度和误差小的特点。参考文献:1李筱薇，谭建昌，冯国英 基于马赫曾德干涉的全光纤双参量传感器J 强激光与粒子束，2021，33(11):9195 2华子明，李永倩，王少康，等 光纤光栅液体双参量传感器增敏设计 J 激光技术，2022，46(3):337343 3冯谦 多芯光纤多参量一体化同步感知系统及应用D 哈尔滨:中国地震局工程力学研究所，2021 4申佳鑫，王伟，赵琼，等 光纤光栅与法珀微腔温度应变双参量传感器J 激光杂志，2021，42(2):1620 5苗银萍 多功能、多参量、新型闪耀光纤光栅特性及应用研究 D 天津:南开大学，2009 6杨兴，胡建明，戴特力 光纤光栅传感器的原理及应用研究 J 重庆师范大学学报(自然科学版)，2009，26(4):101105 7Gao S，Baker C，Chen L，et al Fabrication of Multiple SuperimposedFiber Bragg Gratings for Multiple Parameter Sensing J IEEE Sen-sors Letters，2020，4(7):5000404 8Oliveira，Osrio J H，Aristilde S，et al Simultaneous 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