基于保偏光纤干涉仪的温度扭曲双参量传感器

白凌超, 冯 硕, 吴 垚, 陈雪峰, 于秀娟,

(1.黑龙江大学 物理科学与技术学院, 哈尔滨 150080;2.黑龙江大学 黑龙江省超构材料物理与器件重点实验室, 哈尔滨 150080)

1966年，美籍华裔物理学家高锟首次提出高纯度的石英光纤可以作为长距离通信的媒介[1]。20世纪70年代，伴随光纤和激光器的研究，光纤通信和光纤传感技术得到了快速发展[2]。光纤传感器凭借其体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰和耐腐蚀等优势，被广泛应用于各个领域，如军事、农业、环保、医学和交通等[3-6]。扭曲是结构评估中的重要力学参量之一，研究结构的扭曲状态对评估土木工程、桥梁隧道、建筑结构以及航空航天器件的性能安全尤为重要。目前，扭曲传感器已经被应用于汽车电子、人工智能、土木结构以及航空航天等领域。在实际应用中对扭曲进行测量时，需要考虑环境温度对传感器性能的影响，尤其在一些极端环境中，环境温度变化会导致传感器的信号发生偏差，引起温度交叉串扰。因此，研究扭曲和温度双参量同时测量的光纤传感技术，消除温度交叉串扰对扭曲测量的影响，对于提高系统结构安全性与实用性具有重要意义和应用价值。

光纤光栅在扭曲传感方面已有报道，如长周期光纤光栅扭曲传感器[7-12]、光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating， FBG)扭曲传感器[13-14]和高双折射率光纤光栅扭曲传感器[15]等。2016年，Zhang等提出了一种基于双模光纤的螺旋长周期光纤光栅扭曲传感器，其灵敏度为 0.47 nm·(rad·m-1)-1[9]。基于干涉原理的光纤传感器可应用于扭曲传感，如采用两个凹凸锥结构、球型结构或者螺旋形变结构形成马赫曾德尔干涉型扭曲光纤传感器[16-18]，不过这些结构大多需要飞秒激光和二氧化碳激光等造价高昂的激光器，制作工艺难度大。此外，Liu等报道了基于错位熔接多种特殊光纤(多模光纤、七芯光纤和双侧孔光纤等)制备的马赫曾德尔干涉型扭曲传感器[19-21]，多次熔接容易产生较大的熔接损耗，影响传感器的性能。

本文提出了一种基于保偏光纤(Polarization maintaining optical fiber, PMF)错位焊接单模光纤(Single-mode optical fiber, SMF)的光纤干涉仪，在错位熔接点处接入一个光纤布拉格光栅，从而形成干涉仪和光纤布拉格光栅的复合结构。在第一个错位熔接点处，一部分光耦合到保偏光纤的包层中，在第二个错位熔接点处，包层中的光耦合回纤芯与纤芯中的光发生干涉。通过监测光纤布拉格光栅和光纤干涉仪某一损耗峰的波长变化，实现温度和扭曲同时测量。这种扭曲和温度的双参量光纤传感器制作方式简单，成本较低，灵敏度和稳定性高，为扭曲和温度传感提供了一种低成本的解决方案，在航天器、土木工程和桥梁隧道等结构健康监测中具有广阔的应用前景。

研制的保偏光纤干涉仪的示意图如图1所示，保偏光纤是长飞公司生产的熊猫光纤PM1017-C。将一段保偏光纤的两端错位连接普通单模光纤，两个错位熔接点起到分光和合光的作用。在第一个错位熔接点处，单模光纤纤芯中的光分成两部分：一部分在保偏光纤的纤芯中进行传输，另一部分在保偏光纤的包层中进行传输。在第二个错位熔接点处，保偏光纤中传输的两部分光耦合回单模光纤的纤芯。由于两部分光通过的路径不同，产生了光程差，满足干涉条件并发生干涉。在这个干涉仪制作过程中无需添加额外的耦合器。在第二个熔接点处连接一个FBG，用以监测温度变化。

图1 连有FBG的保偏光纤干涉仪示意图

光纤干涉仪的强度可以表示为：

(1)

式中Δφ为纤芯和包层中传输光的相位差，可以表示为：

(2)

式中：n1和n2分别为保偏光纤的纤芯和包层的折射率；
L为保偏光纤干涉仪的长度，即干涉仪的腔长。

当相位差满足Δφ=(2m+1)π时，透射光谱强度在该波长处最小，即为光谱波谷的位置。代入式(2)可得：

(3)

当对保偏光纤干涉仪施加扭曲时，随着扭曲角度的增加，光纤的状态发生变化，可以引入扭曲率τ，其定义为：

(4)

式中：θ为扭曲角度；
L1为扭曲长度。

扭曲对光纤的影响可以分成横向剪切应力和纵向应力两部分。剪切应力会影响光纤应力区域的折射率，折射率的变化与局部应力和光纤材料的弹光系数成正比。在扭曲过程中，光纤的纤芯剪切方向扭转量最小，纤芯外的扭转量随着距离光纤中心距离的增加而增加，剪切应力在纤芯中心为0，向外成比例增大并在光纤外层边缘达到纵向应力使保偏光纤发生轻微的形变[22]。光纤经过扭曲后引起的相位变化为[22]：

(5)

式中：δΔn=gco·τ·nco-gcl·τ·ncl；
gco和gcl分别为纤芯材料和包层材料的弹光系数。扭曲产生的纵向应力是一个很小的值(ΔL1≈0)，可以忽略。扭曲引起的相位变化可以表示为[22]：

(6)

根据式(3)和式(6)，光纤被扭曲之后相应的波长变化应为[22]：

(7)

温度变化时，热膨胀效应引起传感器中保偏光纤长度的改变，热光效应改变光纤的有效折射率。随着温度变化，光纤干涉仪某一波谷位置的波长的漂移可以表示为[23]：

Δλm=λm·(α+ξ)·ΔT

(8)

式中：α为保偏光纤的热膨胀系数；
ξ为保偏光纤的热光系数。

FBG的中心波长可以表示为：

λB=2neff·Λ

(9)

式中：Λ为FBG的折射率调制周期；
neff为光纤纤芯模式的有效折射率。

温度主要是基于热光效应和热膨胀效应影响FBG的中心波长。假设应力和压力等其他因素变量保持不变，FBG中心波长随温度的变化可以表示为[24]：

(10)

式中：α为光纤的热膨胀系数；
ξ为光纤的热光系数。

当温度和扭曲同时作用于传感器时，干涉仪的某一波谷和FBG的中心波长变化可以表示为：

(11)

式中：Δφ为扭曲角度变化量；
ΔT为温度变化量；
Δλm和ΔλB分别为干涉仪某一波谷和FBG中心波长漂移量；
k1φ和k1T分别为保偏光纤干涉部分对扭曲变化和温度变化的灵敏度系数；
k2φ和k2T分别为FBG的扭曲和温度灵敏度系数。

根据式(11)，扭曲和温度的变化可以表示为：

(12)

在实际应用中，温度和应变灵敏度系数的具体数值可以通过标定实验求得。通过监测保偏光纤干涉和FBG的波长漂移情况，即可实现扭曲和温度的双参量同时传感。

扭曲实验系统示意图如图2所示，将保偏光纤干涉仪的一端连接宽带光源，另一端连接光谱仪。其中光源的光谱范围1 250～1 700 nm，光谱仪的型号为AQ6370D。实验中采用保偏光纤熔接机(Fujikura FSM-100P)制作保偏光纤干涉仪，保偏光纤干涉仪的长度为5.0 cm，两个熔接点的错位量为5 μm，在第二个错位熔接点处连接一个FBG。FBG的中心波长为1 540.20 nm，3dB带宽小于0.3 nm，反射率大于90%。

图2 扭曲实验系统示意图

保偏光纤干涉仪的光谱图如图3所示，可以看出，在波长1 480～1 600 nm形成了良好的干涉条纹，在干涉光谱中叠加着FBG的透射损耗峰。保偏光纤干涉仪的对比度最大可达10.68 dB，FBG的中心波长为1 540.20 nm，损耗峰幅度为15 dB。选取波长为1 544 nm的损耗峰作为温度和扭曲传感监测对象，如图3标记的Dip1。

为了测试保偏光纤干涉仪的扭曲传感特性，把干涉仪的一端固定，另一端利用光纤旋转器对干涉仪施加扭转。扭曲光纤的长度为30 cm，包括保偏光纤以及两侧的单模光纤。扭转角度为顺时针0°～360°以及逆时针0°～360°，间隔20°记录一次数据。FBG的中心波长随扭曲的变化如图4所示。实验过程中随着扭曲角度的不断增加，FBG对扭曲不敏感，中心波长保持在1 540.20 nm。

图3 连接FBG的保偏光纤干涉仪的光谱图

图5 损耗峰Dip1的波长随扭曲的变化Fig.5 Variation of the central wavelength of Dip1 with distortion

在扭曲实验过程中，随着扭曲度数的增加，保偏光纤干涉仪Dip1的损耗峰的波长发生红移，如图5所示，图中正扭转角度对应顺时针扭转，负扭转角度对应逆时针扭转。可以看出，当扭曲角度为顺时针方向时，扭转角度0°～120°，随着扭曲角度的增加，Dip1波长逐渐增加，但增加量不大；
扭转角度120°～240°，随着扭曲角度增加，Dip1的波长急剧增加，呈线性变化趋势；
当扭转角度继续增加时，波长漂移量又趋于平缓。逆时针方向时，扭曲角度0°～-90°，随着扭曲角度的增加，Dip1波长逐渐增加；
扭转角度-90°～-200°，随着扭曲角度的增加，波长急剧增加。在顺时针和逆时针扭曲过程中，波长改变呈现对称分布，并且均有一段波长随扭曲变化的线性区间。在实际应用时，可以选择线性区间作为传感器的工作区间，通过监测波长的漂移量，可以测得扭曲角度值。

由图5可以看出，扭曲角度-200°～-90°，波长随着角度增加呈现线性变化。把线性区域的波长-扭曲角度数据进行线性拟合，如图6(a)所示。拟合曲线的斜率为-0.031 nm/°，相关系数R2为0.991。由此得到传感器的波长扭曲灵敏度为-31 pm/°。当顺时针时，扭转角度120°～240°，波长随着角度增加呈现线性变化，线性拟合曲线的斜率为0.025 nm/°，波长随扭曲角度变化的灵敏度为25 pm/°，相关系数R2为0.990，如图6(b)所示。

图6 (a) 逆时针方向线性区间；

(b) 顺时针方向线性区间

图7 Dip1的幅度值随扭曲的变化Fig.7 Variation of transmission of Dip1 with distortion

当对保偏干涉仪施加扭曲时，干涉仪损耗峰的强度变化如图7所示。可以看出，当逆时针方向时，在扭曲角度0°～-140°随着扭曲角度逐渐增加，Dip1的幅度值逐渐增加；
扭曲角度-140°～-300°，随着扭曲角度的增加幅度值逐渐减小，当扭曲角度超过-300°时，幅度值又开始增加；
当顺时针方向时，随着扭曲角度增加，Dip1的幅度值逐渐增加，在扭曲角度0°～180°随着扭曲角度的增加，Dip1的幅度值逐渐增加，在扭曲角度180°～340°随着角度的增加，Dip1的幅度值逐渐减小，当扭曲角度超过340°后，幅度值又有增加的趋势。幅度随着扭曲的增加出现了类似振荡的现象。扭曲使得纤芯和纤芯外的两束光的光程差随之变化，进而使得相位差发生变化。随着扭曲角度的逐渐增加，相位差增加或者减少2π的整数倍， cos(Δφ)呈现周期性变化，光纤干涉仪光强公式中的干涉项在余弦函数的调制下呈现周期性变化，实验现象与理论预期相符。

Dip1的幅度值在扭曲角度-360°～360°有4个线性区间，角度-280°～-160°，线性拟合曲线的斜率为0.032 dB/°，相关系数R2为0.994；
角度-120°～0°，线性拟合曲线的斜率为-0.042 dB/°，相关系数R2为0.991；
角度20°～160°，线性拟合曲线的斜率为0.035 dB/°，相关系数R2为0.992；
角度200°～340°，线性拟合曲线的斜率为-0.030 dB/°，相关系数R2为0.990，如图8所示。当扭曲角度为顺时针和逆时针变化时，波长和幅度的变化趋势基本对应。

(a) -280°～ -160°

(c) 20°～160°

(d) 200°～340°

(a) 波长-温度拟合曲线

为了测试传感器的温度传感特性，将传感器放置在恒温恒湿试验箱里进行实验。恒温恒湿试验箱为上海简户公司生产，型号为JTH-100P-A，温度控制精度为±0.5 ℃，温度分辨率为0.01 ℃。在温度传感实验中，温度25 ℃～80 ℃，间隔5 ℃记录一次数据。每次记录数据时间间隔大致为30 min，待温度稳定后采集光谱数据。实验测试的FBG和Dip1损耗峰的中心波长随着温度变化的曲线如图9和图10所示。可以看出，随着温度的升高，FBG和Dip1损耗峰的波长出现红移现象。对波长温度曲线进行线性拟合，得到FBG和Dip1损耗峰的中心波长温度灵敏度分别为0.016 nm/℃和0.085 nm/℃，拟合曲线的线性相关系数R2分别为0.999 5和0.998。

(a) 波长-温度拟合曲线

根据上述扭曲和温度传感实验数据，当选用波长作为扭曲测量的传感参量时，当逆时针扭曲光纤干涉仪时，可以选取扭曲角度-200°～-90°作为线性工作区间，可知k1φ、k1T、k2φ和k2T的数值分别是-0.031 nm/°、0.085 nm/℃、0 nm/°和0.016 nm/℃。将参数代入式(12)，得到扭曲和温度的双参量测量公式：

(13)

若选取扭曲角度120°～240°，可知k1φ、k1T、k2φ和k2T的数值分别是0.025 nm/°、0.085 nm/℃、0 nm/°和0.016 nm/℃。将参数代入式(12)，双参量测量的矩阵公式则变为：

(14)

实际应用中，还可以选择干涉仪的损耗峰幅度作为扭曲传感参量，幅度随着扭曲变化的线性区间比波长的线性区间更大。根据扭曲传感的测量范围，选择不同线性区间作为工作范围(顺时针扭曲角度120°～ 240°和逆时针扭曲角度-200°～-90°)，可以在更大扭曲角度范围内实现扭曲角度的测量。

研究了一种保偏光纤干涉仪结合FBG的扭曲和温度的双参量光纤传感器。通过监测FBG和保偏光纤干涉仪某一损耗峰的波长漂移情况，结合扭曲温度传感矩阵，可以实现温度扭曲双参量同时测量。实验结果表明，在扭曲角度120°～ 240°，该传感器1 544.00 nm损耗峰的中心波长对于扭曲的灵敏度为25 pm/°，线性相关系数R2为0.990。损耗峰对温度的灵敏度为85 pm/℃ ，线性相关系数R2为0.998。FBG中心波长对扭曲不灵敏，对温度的灵敏度为16 pm/℃，线性相关系数R2为0.999 5。在扭曲实验中，损耗峰的波长和幅度值均出现了振荡现象，当扭曲角度为顺时针和逆时针变化时，波长和幅度的变化趋势基本对称。实际应用时，可以根据扭曲测试范围，灵活地选择损耗峰幅度作为传感参量，实现不同范围的扭曲角度测量。本文报道的基于保偏光纤干涉仪和FBG的光纤传感器，通过传感矩阵实现了温度-扭曲双参量同时测量，为结构健康监测提供了一种低成本、小型化的解决方案。该光纤温度扭曲双参量传感器结构简单、成本低廉、灵敏度高，在土木工程、航空航天、汽车电子和人工智能等领域具有广阔的应用前景。