杜翠翠，孔德仁，徐春冬

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210014）

引言

光纖光柵傳感監(jiān)測是現(xiàn)代常用的一種飛機結構監(jiān)測技術，光纖傳感具有體積小、質量輕、耐高溫及腐蝕、抗電磁干擾、遠距離實時在線傳感等優(yōu)點[1-3]，可以粘貼到復合材料表面，如機身、機翼蒙皮處，實時監(jiān)測飛行器的溫度、應變、振動等情況，為飛行器健康狀態(tài)的判別提供重要的依據(jù)[4-6]。

裸光纖光柵的直徑只有125 μm，在外載荷的作用下很容易發(fā)生破損[7]。因此，在工程實際應用中，光纖光柵需要進行封裝才能使用?；椒庋b是FBG 傳感器設計的典型形式，該形式封裝的傳感器具有可標定、易批量、線性度高、壽命長等特點[8-9]。郭永興[10]等人研究了不同封裝方式的光纖光柵傳感與溫補特性，發(fā)現(xiàn)光柵在表面式全部粘貼和兩端粘貼封裝下的感測特性均良好，自差分溫度補償效果優(yōu)于裸光纖光柵，兩端粘貼封裝的溫度補償效果更好。Yi Kuang[11]等人總結了FBG 應變傳感器不同金屬封裝方法的優(yōu)缺點。本文研究的光纖光柵傳感器采用鋁合金基底封裝，具有高靈敏度、重復性好、易標定等特點。

目前，典型的波長解調方法有匹配濾波法、非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉儀法、邊緣濾波法、光譜檢測解調技術、可調諧Fabry-Perot(F-P)濾波器法等[12]。卜祥銀[13]采用匹配光柵法來實現(xiàn)對FBG傳感器采集信號的解調，但匹配光柵法自由譜范圍比較窄，不適合多通道的光纖光柵波長解調。叢蕊[14]等人將可調諧Fabry-Perot（F-P）濾波器法作為分光器件應用于高光譜遙感，證明了該解調方法對面向高光譜遙感應用的的結構設計和波長校準具有指導意義。但是，可調諧濾波器件的核心部件為電致伸縮的壓電材料（如PZT），耐震性能差，不適合機載工況振動較大的場合。本文采用的光譜檢測解調系統(tǒng)具有結構緊湊、精度高等特點，解調速度可以達到5 kHz，波長檢測精度可達±5 pm。而且，本系統(tǒng)中的體相位光柵光譜模塊小巧，沒有壓電材料及活動部件，能夠滿足機載抗振需求。

因此，根據(jù)機載抗振的需求，本文設計了一種基片式鋁合金封裝光纖光柵應變和溫度傳感器，開發(fā)了適用于機載復雜環(huán)境下的波長解調系統(tǒng)，即基于體相位光柵和線陣光電探測器的光譜檢測解調技術，實現(xiàn)對光纖光柵中心波長的反射波長的微小偏移量進行精確測量。另外，為了測試光纖光柵傳感器在受到加速度載荷下的傳感性能，對所設計的鋁合金封裝式光纖光柵傳感器按照GJB150.15A“加速度試驗”要求和方法進行加速度性能測試。

1 基片式光纖光柵傳感器的設計及波長解調傳感特性

1.1 FBG 傳感器鋁合金基底封裝設計

圖1 為設計的基片鋁合金封裝式光纖光柵應變和溫度傳感器外觀和尺寸圖。考慮到粘接點位置、靈敏度等參數(shù)，F(xiàn)BG 應變和溫度傳感器的尺寸大小分別為36 mm×9 mm×1 mm 和37.8 mm×14.6 mm×1 mm。光纖光柵應變傳感器的應變測量量程為?2 500 με～3 000 με，光纖光柵溫度傳感器的測溫范圍為?55 ℃～70 ℃?；撞牧线x用AlSi10Mg合金材料。封裝過程如下：用酒精清洗裸光纖光柵部分和兩端的光纖，為增加膠黏劑的附著性，先后用砂紙和丙酮打磨和清潔凹槽位置，將裸光纖光柵粘貼嵌入至封裝基底的凹槽內，采用配比均勻且適量的的環(huán)氧樹脂膠（樂泰E-20HP）涂覆在粘貼區(qū)域，并固化24 h。這種鋁合金封裝方式的FBG 傳感器直接粘貼在飛機關重件部位的復合材料表面，當復合材料受到外界環(huán)境影響時，復合材料的變形通過膠黏劑傳遞到光纖光柵傳感器，通過測量光纖光柵中心波長的變化來測得外界物理因素。

圖1 鋁合金封裝式光纖光柵應變和溫度傳感器設計Fig.1 Design of FBG strain and temperature sensor with aluminium alloy package

1.2 FBG 傳感器傳感機理及波長解調技術

1.2.1 FBG 傳感器的傳感原理

圖2 為光纖光柵傳感器的傳感原理圖。光纖光柵是由纖芯、包層和涂覆層組成，其本質是一段纖芯折射率周期性變化的光纖，當一束寬光譜經過光纖光柵時，由于光纖光柵波長的選擇性作用，滿足布拉格條件的光被反射回來，其余的光束則透射過去不受影響，其中反射光譜的峰值即為光纖光柵的中心波長[15]。

圖2 光纖光柵傳感原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of FBG sensing principle

1）光纖光柵應變傳感器的傳感機理

根據(jù)光纖耦合模理論，光纖 Bragg 光柵反射光的中心諧振波長取決于光柵的周期Λ 和纖芯的有效折射率neff，光纖Bragg 光柵的諧振方程為

式中：λB為光纖Bragg 中心波長；neff為纖芯有效折射率；Λ為光柵周期。

由于光柵周期的伸縮和彈光效應的存在，應變使得FBG 傳感器中心波長發(fā)生偏移，其公式為

式中，ΔΛ為光柵在應變下的彈性變形量。

2）光纖光柵溫度傳感器的傳感機理

當光纖光柵處于自由狀態(tài)時，或其均勻壓力場或軸向應力場恒定時，溫度引起的熱膨脹效應和熱光效應會共同導致布拉格光柵波長發(fā)生變化。其中，熱膨脹效應改變光柵周期，熱光效應使光柵區(qū)域的折射率發(fā)生改變。當溫度變化時，光柵周期的變化為

式中，α為材料的膨脹系數(shù)

熱光效應引起的折射率的變化為

式中，ξ為熱光系數(shù)，表示折射率隨溫度的變化率。

以上兩種效應引起的光柵波長的變化為

式中，KT為溫度靈敏度系數(shù)。

當光纖光柵受應變或周圍溫度發(fā)生變化時，將導致光柵周期 Λ和有效纖芯折射率neff發(fā)生變化，從而產生光柵信號中心波長的漂移。波長解調設備通過監(jiān)測光纖光柵反射波長的變化情況，即可獲得 監(jiān)測點上光纖光柵的應變和溫度。

1.2.2 FBG 傳感器波長解調技術

波長解調原理如圖3所示。寬帶光源（BBS）發(fā)出的光經過光耦合器后入射到光纖光柵，滿足布拉格波長條件的光被光纖光柵反射后再次通過耦合器進入光譜檢測解調系統(tǒng)，反射光源經過準直透鏡變?yōu)槠叫泄庹丈涞襟w相位光柵，根據(jù)體相位光柵的分光作用，不同波長的光束經過體相位光柵匯聚到凹面反射鏡，進而投射成像到線陣光電探測器上。當光柵受到多種外部環(huán)境因素（應變、應力、溫度等）影響時，光柵周期或折射率將發(fā)生改變，引起反射波長的變化，進而衍射角發(fā)生變化，成像到線陣光電探測器上的位置也會相應改變。通過處理電路采集出線陣光電探測器輸出的像素電壓（或電流）信號，推算出光纖光柵傳感器的中心波長值，并通過數(shù)據(jù)處理推算出監(jiān)測位置的應變或溫度等物理量。

圖3 波長解調原理圖Fig.3 Schematic diagram of wavelength demodulation

2 加速度試驗及分析

2.1 測試方案

為了測試所設計的FBG 傳感器在實際使用環(huán)境中是否可以承受加速度載荷以及相應的傳感性能。本文按照GJB150.15A“加速度試驗”的要求和方法，采用中國電子科技集團公司第18研究所的離心機裝置，對選取的2 只光纖光柵應變傳感器（FBG-S1，初始中心波長1 538.368 nm和FBG-S2，初始中心波長1 540.265 nm，應變靈敏度均為0.5 pm/με）和2 只光纖光柵溫度傳感器（FBG-T1，初始中心波長1 547.854 nm 和FBG-T2，初始中心波長1 550.897 nm，溫度靈敏度均為33.5 pm/℃）在X向、Y向、Z向的6 個方向進行了不同試驗量值的加速度試驗。不同方向的試驗量值如表1所示。

表1 加速度性能試驗量值Table 1 Test values of acceleration performance

光纖光柵傳感器的加速度試驗裝置如圖4所示。為了比較傳感器在試驗前后的性能，4 只FBG 傳感器分別需要在加速度試驗前、試驗中、試驗后進行性能測試和外觀檢查。

圖4 光纖光柵傳感器離心機加速度試驗裝置圖Fig.4 Diagram of acceleration test equipment for FBG sensors based on centrifuge

加速度試驗詳細測試步驟如下：

1）將4 只FBG 傳感器分別接入至光纖解調儀的不同通道，并連接至外部的數(shù)據(jù)采集設備。在試驗開始前，對處于穩(wěn)定狀態(tài)（溫度25 ℃，相對濕度不大于80%且不施加任何外力）下的4 只FBG傳感器持續(xù)測量2 min，并記錄其波長數(shù)據(jù)；若2 min 內波長偏移量不超過±50 pm[16]（最大值與均值的差值和最小值與均值的差值），且光強變化不超過0.3 V，則光纖光柵傳感器性能正常。

2）使離心機達到向前2 g，向后6 g，向上9 g，向下3 g，向左4 g，向右4 g 的加速度值，每個方向保持1 min，進行性能檢測并記錄結果，若光纖光柵傳感器在試驗過程中波長輸出無跳變（波長偏移不超過±2 nm，光強范圍為1.3 V～4.003 V）、無中斷，則光纖光柵傳感器通過加速度試驗。

3）試驗結束后，對4 只被測FBG 傳感器的外觀（傳感器是否有脫落、損傷等）進行檢查，并重復步驟1）對被測試件進行常態(tài)性能測試。

3 試驗結果分析

3.1 試驗前測試結果

表2 列出了被測傳感器在2 min 內的波長和光強變化量。

表2 4 只光纖光柵傳感器在加速度試驗前波長、光強變化Table 2 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors before acceleration test

由表2 可以看出，4 只光纖光柵傳感器在2 min常態(tài)性能測試中波長偏移量均未超過±50 pm（最大偏移量為?1.809 pm），且光強變化未超過0.3 V（最大偏移量為0.0212 V），則證明設計的4 只光纖光柵傳感器滿足常態(tài)性能測試要求。

3.2 試驗中測試結果

圖5～圖10 分別為4 只FBG 傳感器在加速度試驗中前、后、上、下、左、右6 個方向的波長、光強測試結果。可以看出，4 只FBG 傳感器在受到不同加速度值時，波長和光強會發(fā)生不同程度的變化。其中，波長偏移量最大波動為±7 pm，光強均在1.3 V～4.003 V 內。即4 只FBG 傳感器在加速度試驗過程中滿足輸出無跳變、無中斷的要求。

圖5 FBG 傳感器在加速度試驗“前方向”測試波長和光強Fig.5 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(front-direction test)

圖6 FBG 傳感器在加速度試驗“后方向”測試波長和光強Fig.6 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(rear-direction test)

圖7 FBG 傳感器在加速度試驗“上方向”測試波長和光強Fig.7 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(up-direction test)

圖8 FBG 傳感器在加速度試驗“下方向”測試波長和光強Fig.8 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(down-direction test)

圖9 FBG 傳感器加速度試驗“左方向”測試波長和光強Fig.9 Wavelength and light intensity results of FBG sensors(left-direction test)

3.3 試驗后測試結果

表3 列出了4 只FBG 傳感器在加速度試驗后的2 min 內測試波長和光強變化。可以看出傳感器在加速度試驗后2 min 常態(tài)性能測試中波長偏移量均未超過±50 pm（最大偏移量為?1.206 pm），且光強變化未超過0.3 V（最大偏移量為0.021 2 V）。

表3 4 只FBG 傳感器在加速度“試驗后”波長和光強變化Table 3 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors(after acceleration test)

試驗結果表明：在加速度試驗前后的 2 min 性能測試中，波長偏移量均未超過±50 pm，且光強變化未超過0.3 V。在加速度試驗中，波長偏移量最大波動為±7 pm，光強均在1.3 V～4.003 V 范圍內，且試驗后傳感器外觀良好，無脫落情況。驗證了所設計的光纖光柵傳感器具備承受加速度載荷的能力，且承受載荷期間傳感性能良好。

4 結論

本文根據(jù)FBG 傳感器機載抗振的需求，設計了一種基片式鋁合金封裝光纖光柵應變和溫度傳感器，按照GJB150.15A“加速度試驗”要求和方法，對選取的4 只FBG 傳感器進行了加速度性能測試。試驗結果表明，在加速度6 個測試方向試驗中，波長偏移量最大波動為±7 pm，光強均在1.3 V～4.003 V 內，滿足輸出無跳變（波長偏移不超過±2 nm，光強范圍在1.3 V～4.003 V 內）、無中斷的要求。說明了所設計的FBG 傳感器具備承受加速度載荷的能力，且承受載荷期間傳感性能良好，可應用于載機關重件結構的相關物理參數(shù)的測量。