光纤应变传感器20401033 李永成目前已经能够利用光纤传感器对材料的应力、应变、温度、固化度、振动、损伤与断裂等开展进行实时的监测。
在美国等发达国家,研制出了诸如灵巧蒙皮(SmartSkin)之类的智能结构和材料它在航空航天领域的应用极大的提高了空间飞行器的性能。
因此,光纤传感器研究有着诱人的前景。
在材料的诸多参数中,利用嵌入式光纤传感器对其应变监测的研究进行的最为充分,发展出多种方法,大体可分干涉型、模式型、偏振型和光强型四种。
1干涉型传感器(InterferometricSensors)外界应变的作用可使在光纤中传输的光的相位发生变化,干涉型光纤传感器就是通过监测输出信号的相位变化来监测复合材料应变的。
它又包括Mach-Zender干涉法、法布里—珀罗干涉法和布拉格光栅法。
1.1Mach-Zender干涉法下图为Mach-Zender干涉传感器的基本结构。
从光源发出的光经耦合器A等量的进入长度相等的参考光纤和测量光纤,然后再经耦合器B输向探测器,由探测器输出信号。
工作时,将测量光纤嵌入复合材料,当复合材料发生应变时,测量光纤随之发生变形,从而使通过测量光纤的光程发生变化,在耦合器B处,参考光纤与测量光纤之间由于存在相位差而发生干涉,由探测器将干涉信号输出,通过监测输出的干涉信号就可监测复合材料的内部应变。
1.2法布里—珀罗干涉法(FPI)1.2.1 法布里－珀罗干仪原理光纤法布里珀罗干涉腔是在一段光纤的两个端面上由所镀的反射面形成。
光射入光纤法布里珀罗干涉腔后光的反射与折射的情况如下图所示两个反射面的反射率分别为r1和r2,设r1=r2腔长为d,并假设R1=R2=R=r2,则入射光经过多次反射和折射后透射光强和反射光强为位相φ的表达式为:φ=4πnd/λ(3)式中,n为折射率;d为腔长;λ为光的波长。
采用双光束近似为:IR=2RI0(1-cosφ)(4)归一化并令2RI0=1后为:IR=1-cosφ(5)1.2.2内型腔—法里布珀罗干涉法(IFPI)下图为内腔型法布里—珀罗干涉传感器(IFPI Sensor)的基本结构。
在光纤中产生两个部分反射的中间面,从而由该部分形成一个法布里—珀罗腔,从光源发出的光在光纤中传播过程中,遇到第一个反射面发生部分反射,形成与法布里—珀罗腔无关的参考光束,部分透射光继续向前传播,遇到第二个反射面发生反射,形成与腔长有关的测量光束,参考光束与测量光束在输出端发生干涉,干涉信号随波长和腔长的变化而变化,当入射光波长一定时,干涉信号就是腔长的函数,通过测量干涉信号的变化就可以得到腔长的变化情况。
把IFPI传感器埋入复合材料中,使IFPI传感器与复合材料基体牢固地结合在一起,当复合材料受力发生变形时,IFPI传感器的腔长与复合材料一起发生变形,则IFPI传感器腔长的变形情况就反映了复合材料的变形情况。
从而可以获得复合材料的应变。
IFPI的特点是光的传播与反射均发生在光纤中,所以称之为内腔型,这使得IFPI腔长可以有较大的变化范围,然而它却存在输出信号的非线性和热灵敏度较高等问题。
1.2.3外腔型法布里—珀罗干涉法(EFPI)由于IFPI存在较高的热灵敏度,使得温度对输出信号的影响较大,因此研究了外腔型法布里—珀罗干涉传感器(EFPISensor)。
把一个单模光纤与一个单模或多模光纤通过一个空心二氧化硅纤维对接起来就形成一个外腔型法布里—珀罗干涉传感器,再加光源、探测器等支持部分就构成一个传感器系统,如图下所示。
从光源发出的光经耦合器输向EFPI腔。
在EFPI腔中,从入射光纤端面反射过来的光R1(参考光束)和从反射光纤端面反射过来的光R2(测量光束)在输出端发生干涉,干涉信号通过耦合器可由探测器检测,将EFPI传感器嵌入复合材料,复合材料中产生应变时引起干涉信号的变化(条纹的漂移),则通过计数干涉条纹的变化就可以测得复合材料的应变。
EFPI的特点是法布里—珀罗腔为热膨胀系数小的空气,从而使EFPI的热灵敏度低,输出信号受温度影响小。
但EFPI未能解决输出信号的非线性问题,同时它只能监测传感器轴向应变,而对横向应变不响应。
因此作了进一步研究。
1.2.3绝对外腔型法布里—珀罗干涉法(AEFPI)绝对外腔型法布里—珀罗干涉法(AEFPI)解决了输出信号的非线性问题。
AEFPI的传感器部分与EFPI相同,它利用宽波段的超发光二极管(SLD)作为光源来向EFPI腔输入光,每种不同波长的反射光对应不同的相位,各波长反射之间存在相位差,这种相位差是腔长d的单一函数,由于可以实时的得到腔长d,那么就可以监测应变的变化及其方向AEFPI采用宽波段的光源,因此在光源部分无需昂贵的温度稳定装置和光学去耦装置,在输出部分也不需要计数装置,可见,AEFPI是一种较好的应变监测方法。
1.2.490°相差相漂移外腔型法布里—珀罗干涉法(QSP—EFPI)。
QSP—EFPI的基本结构如图4(a)所示,反射光纤为一多模光纤,入射光纤为两根单模光纤,两入射光纤与反射光纤所形成的腔长在纵向有一差值, 该差值使两干涉输出信号之间的相位差为90°。
可见,两干涉输出信号之间的相位差决定于两腔长的差,空心纤维沿传感器轴向的角运动可以改变两个腔长(使腔长差发生变化)见下图这反过来使输出干涉信号的相位差发生变化,如果这种相位差能够被测定,那么就可以用来表征横向应变场。
轴向应变可以利用任一腔长的变化来测得,这时可以忽略由于横向应变使反射光纤产生角位移而引起的输出信号的变化。
这样就得到介质的一个平面应变场特征。
QSP—EFPI尚处于研究阶段,目前仅作到利用外加纵向、横向应变的方式对其可行性进行了研究,还没有埋入到复合材料中去。
该法还需要进一步研究的是QSP—EFPI相差与横向应变之间的关系。
1.3布拉格光栅法(FBG)纤芯折射率周期性变化的区域可形成布拉格反射,其反射光谱是一个具有一中心波长的窄峰。
该中心波长取决于纤芯的平均折射率和周期性变化的波长,通过监测嵌入在复合材料中布拉格光栅波长的漂移(ΔλB)就可以监测复合材料应变的变化(Δε)。
光纤布喇格光栅(FBG)作为一种新型的光无源器件,因其抗电磁干扰、体积小、易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络等特点,受到研究人员越来越多的关注[1].由于光纤光栅最为直接感受的物理量是应变和温度变化,因此,人们更关注如何将压力、位移等外界参量通过传递而耦合到FBG上,并转换为使FBG沿轴向产生拉伸(或压缩)应变,同时,解决FBG感受外界待测参量的灵敏度问题实现对外界参量的高灵敏度传感检测报道了用聚合物作为机敏材料实现FBG压力传感的罐封装技术,研究了将压力有效地传递为对FBG的应变效应.下面采用C形弹性管作为FBG压力传感和位移传感的机敏元件,将FBG粘贴于C形弹性管与自由端等高的位置处,实现了在常温下同时测量压力和位移.A FBG应变传感机理由耦合模理论可知,FBG的中心反射波长应满足（1）式中neff为纤芯的有效折射率,Λ为FBG的栅距.当温度不变,FBG只受轴向应力作用时,FBG中心反射波长的漂移量为ΔλB=λB(1-Pe)ε（2）(2)式中Pe=(n2eff/2)[p12-μ(p11+p12)]为光纤的有效弹光系数;μ为光纤材料的泊松比;p11和p12为光纤的弹光效应张量系数;实验中选用的硅基质掺锗光纤各参数分别为neff=1.46,μ=0.16,p11=0.12p12=0.27,由此可以计算出Pe=0.22,式(2)可写为ΔλB=0.78λBε. (3)式(3)即为FBG对应变ε敏感引起反射中心波长漂移的关系. 对于裸FBG而言,要使光栅产生轴向应变,就要直接施以拉伸力.实验表明,裸露的FBG加到7N拉力时光纤光栅就会断裂(FBG的断裂极限为7860με).因此,FBG的应力灵敏度受到很大限制[6].为了提高对应变的传感灵敏度,就必须借助一种机敏元件的结构作为应力传感的桥梁,外界应力变化通过这种结构,加载在FBG上.图1C形弹性管实验B基于C形弹性管FBG压力传感原理图1所示的C形弹性管为薄壁空心且截面形状为椭圆型的结构,在管内过剩压力作用下,其截面力图趋于圆形.在此情况下,截面的短轴将伸长,而长轴缩短,周界的变化如图1中的虚线所示.由李滋法推出C形弹性管内总势能经过简单变形,得到在管内流体压力P作用下C形管纵向应变和横向应变的表达式为式中K=Rh/a2;P为管内流体压力;E和μ分别为材料的弹性模量和泊松比;R为C 形弹性管的半径a和b分别为C形弹性管横截面的长半轴和短半轴;h为管壁厚度;β为与a/b有关的系数;Ω和Φ是与a/b和h/b有关的位置函数.当C形弹性管截面形状、材料确定后,在一定压力范围内,E,μ,R,a,b,h和K均为常量,因而弹性管表面各点的纵向应变和横向应变均与压力P成线性关系,并且弹性管上与中心轴线平行的纵向各点的应变相等,而横向截面上各点应变则与位置有关,但相对于中心轴线对称.由式(5)可看出,横应向最大变点位于管子截长轴两端处.若将FBG沿截面长轴方向粘贴在C形管与自由端等高的位置处(见图1),则管内过剩压力使FBG沿长轴方向拉伸产生应变,将式(5)代入式(3)得:式(6)为基于C形弹性管作为机敏元件的FBG压力传感系统将压力转换为FBG反射中心波长漂移量的传感原理.2模式型传感器(ModalmetricSensors)模式型传感器是利用纤芯内模态能量分布的变化(如激发模干涉)来进行测量的。
椭圆芯光纤传感器和双芯光纤传感器均属此类。
2.1椭圆芯光纤传感器(EllipticalCoreFiber StrainSensors)椭圆芯光纤可以在很大的光谱范围内传播基模LP01和仅有一个正弦方向的二级模LP11。
而且,椭圆芯可以在每个空间模内产生双折射,因此,一个椭圆芯光纤可以传播四个线性非退化偏振本征模,两个空间模各包含两个偏振模,由于本征模是非退化的,所以可以实现稳定的模间干涉,其干涉形式在光纤轴端的偏移决定于LP01和LP11模间的干涉都很敏感。
检测器接收到的偏离于双模光纤轴向的光强随纵向应变和温度而发生变化。
用两束本征偏振光并将它们在输出端加以分离,就可以在同一光纤中同时获得两个独立的LP01—LP11模间干涉。
通过监测椭圆芯双模光纤中LP01和LP11的模间干涉能够同时监测温度和纵向应变的变化。
2.2双芯光纤应变传感器(DaulCoreFiber StrainSensors)一个双芯光纤是由一对单模纤芯在同一包层里紧密排列所形成的一个波导管。
因此,当光输入一个光芯时,在半个拍长内,两光芯之间发生完全的能量变换(能量由输入光芯传递到非输入光芯)。