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