应变传感器

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)。