16《激光杂志》2021年第42卷第2期LASER JOURNAL(Vol.42,No.2,2021)
光纤光栅与法珀微腔温度应变双参量传感器
申佳鑫-王伟'，赵琼S寇琬莹'，张雄星I
'西安工业大学光电工程学院，西安710021；
'西安工业大学兵器科学与技术学院，西安710021
摘要：针对光纤应变传感器的温度-应变交叉敏感性问题，研究了一种结合光纤布拉格光栅(FBG)与法布里-珀罗(FP)微腔的光纤FBG-FP混合型温度应变双参量传感器。该传感器由两根垂直切割的单模光纤穿入一段石英毛细管(Glass capillary)，并在石英毛细管两端固定制成，其中一根光纤端面附近预刻FBG，两根光纤端面间距为微米量级，构成FP微腔。处于自由悬空状态的FBG测量温度，FP微腔测量应变，并利用FBG的温度测量结果补偿温度对FP微腔的影响，从而有效解决光纤应变传感中的温度-应变交叉敏感性问题。成功制备了初始腔长为30.6jim的光纤FBG-FP混合型温度应变双参量传感器，温度与应变灵敏度分别达到了12pm/°C和175.2nm/|jL£，并成功实现了应变测量的温度补偿。
关键词：光纤传感器；法布里-珀罗腔；光纤布拉格光栅；温度；应变
中图分类号:TN253文献标识码：A doi：10.14016/jki.jgzz.2021.02.016
A fiber grating and Fabry-Perot microcavity sensor for temperature and
strain measurement
SHEN Jiaxin1,WANG Wei1,ZHAO Qiong2,KOU Wanying1,ZHANG Xiongxing1
School of Optoelectronics Engineeringan Technological University an710021,China；
2School(if Defence Science and Technology,Xi'an Technological University,Xi*an710021,China
Abstract:To solve the problem of temperature-strain cross-sensitivity in fiber-optic strain sensors,a fiber Bragg grating(FBG)一Fabry-Perot(FP)hybrid temperature and strain dual-parameter sensor is investigated.The sensor is made of two vertically cut single-mode optical fibers penetrated into a section of fused silica capillary and fixed at its two ends.One of the single mode fibers is pre-inscribed with a FBG near the fiber facet,and fiber facets separation is in the order of micrometers,which forms a FP microcavity.The FBG in the free state measures the temperature,and the FP microcavity measures the strain,and the temperature result from the FBG is used to compensate the influence of the temperature on the FP microcavity,thereby the temperature-strain cross-sensitivity problem in fiber-opti
c strain sensing can be effectively resolved.In this paper,an fiber-optic FBG-FP hybrid temperature-strain dual-parameter sensor with an initial FP cavity length of30.6jxni was successfully made.The sensitivity of the temperature and strain reached12pm/%and175.2nm/jjle,respectively,and the temperature compensation for the strain measurement is successfully realized.
Key words:fiber-optic sensor；fabry-perot cavity；fiber bragg grating；temperature；strain
收稿日期:2020-07-21
基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目(No.2020JM-560)；陕西省教育厅重点科学研究计划(No.20JS060)
作者简介：申佳鑫(1997-)，女，硕士研究生，主要从事光纤传感技术方面的研究。E-mail:shenjiaxin_xatu@163
通讯作者：王伟，男，教授，博士生导师，主要从事光电测试技术、光纤传感技术方面的研究o E-mail:wangwei@xatu.edu 1引言
在桥梁、隧道、楼宇建筑、石油平台、飞行器、船舶等大型工程结构的健康监测中，应变是其中最为重要和关键的参量之一。相比于传统的应变传感器，光纤应变传感器具有尺寸小、灵敏度高、免受电磁干
扰、耐化学腐蚀、易于组网等优点，因此，逐渐受到各国研究者与工程技术人员的重视，并获得了一定规模的
申佳鑫等：光纤光栅与法珀微腔温度应变双参量传感器
《激光杂志》2021年第42卷第2期LASER JOURNAL(Vol.42,No.2,2021)17
应用z。
最为典型的光纤应变传感器是FBG光纤应变传感器FBG光纤应变传感器的优势是可靠性高、不受光源功率起伏影响、易于复用等，但因其对环境温度敏感，因此，存在较严重的温度-应变交叉敏感现象。另外，如果温度高于350紫外光刻写的常规FBG结构会逐渐消失，因此FBG光纤应变传感器无法在高温环境下使用［，-1，］o
FP光纤应变传感器是人们较为关注的另外一种光纤应变测量技术，相比于FBG光纤应变传感器，此类传感器能够承受较高的温度，应变灵敏度也相对较高，尤其是采用微米到数十微米量级的FP微腔，其温度-应变交叉敏感性远低于FBG光纤应变传感器2⑷。Favero, F.C.等〔切将光子晶体光纤(PCF)与传统的单模光纤拼接在一起，制成了球形FP微腔光纤应变传感器，当初始腔长为60pm时，其应变灵敏度为10.3pm/)x£o Marta S.Ferreira等〔闵用环形光子晶体光纤制作的FP微腔应变传感器，当初始腔长为13(±
m时，其应变灵敏度为15.4pm/p-E，这是常规FBG光纤应变传感器灵敏度的近10倍。不过，由于光纤熔石英材料本身的热膨胀因素，FP微腔光纤应变传感器中的温度-应变交叉敏感性问题仍无法避免“叫
传统的光纤应变传感器受温度-应变交叉敏感性影响，应变测量灵敏度低，且不能满足实际工程应用环境中双参量测量的需求。针对这一问题，研究者们提岀了双参量测量的传感器结构。Chenchen Yin 等提出了气泡膨胀的FP腔传感器结构，该传感器是由多模光纤拼接到单模光纤上构成的，其应变灵敏度为30.66pm/pie，温度灵敏度为1.2pm/T。Kun Zhou等〔迥用激光加工的方法制作出气泡状FP微腔，可以控制气泡微观结构，其应变灵敏度为56.69pm/“，温度灵敏度为0.628pm/°C O不过上述传感结构存在灵敏度低，制作工艺复杂，传感器一致性偏低等问题。
Hui Li等⑷提出并成功制备了一种FBG与FP 腔级联的混合型温度压力光纤传感器，实现了室温到175乜的温度和最高100MPa的压力测量，取得了良好的测量效果，并已在我国胜利油田获得实际应用。不过由于FBG和FP腔间距较大，在一些温度不均匀或快速变化的场景下，可能由于FBG和FP腔所在两点位置的温度不一致，无法利用FBG的温度测量结果对FP腔压力测量结果进行有效补偿。
借鉴该研究成果并进一步改进，研究了一种结合FBG温度测量与FP微腔应变测量的、易于制作的、灵敏度高光纤FBG-FP混合型双参量传感器，由于FBG 预刻在构成FP微腔的光纤端面临近位置，在温度应变测量的同时，能够通过FBG的温度测量结果补偿FP微腔因温度而造成的腔长变化，从而有效克服了温度-应变交叉敏感性问题，实现了应变测量过程中的温度补偿。
2FBG-FP温度应变双参量传感器的结构与制作
所提出FBG-FP温度应变双参量传感器的基本结构如图1(a)所示，它由两根端面垂直切割的单模光纤和一段长度为b的石英毛细管构成，其中一根单模光纤在光纤端面临近位置预刻有一段FBG。两根单模光纤在石英毛细管两端通过紫外胶固定，其端面距离L为微米量级，从而构成FP微腔。
SMF
(a)结构示意图
1004ni]
(b)显微照片
图1FBG-FP温度应变双参量传感器
由于两根单模光纤仅在石英毛细管的两端位置的侧壁固定,FBG处于自由悬空状态，不受外部拉伸的影响，因此只对温度敏感。在外部应力作用下，毛细管会发生形变，从而影响FP微腔腔长厶，监测FP 微腔腔长可以实现应变传感，但温度同样会影响FP 微腔腔长，因此，存在温度-应变交叉敏感现象。利用FBG的温度测量结果，可以补偿温度对FP微腔的影响，从而实现温度补偿。
制作FBG-FP温度应变双参量传感器，可采用如下步骤：
步骤1：将FBG、单模光纤的一端去除一段长度的涂覆层后，用光纤切割刀分别切割，使其端面均垂直于光纤轴线。
步骤2：在显微镜下，将切好的FBG和单模光纤分别从石英毛细管两端垂直穿入，构成一定腔长的FP微腔。如图1(b)所示，在显微镜下，能够观察到，构成FP微腔的单模光纤和FBG的光纤端面平整，且光纤端面相互平行。
范星光
申佳鑫等：光纤光栅与法珀微腔温度应变双参量传感器
18《激光杂志》2021年第42卷第2期LASER JOURNAL(Vol.42,No.2,2021)
步骤3：对FP微腔腔长进行微调整，取腔长为30jxm时，将单模光纤、FBG与石英毛细管的两端固定，
形成固定的FP微腔。
按照如上步骤制作了一个室温下初始腔长为
30.6pm的FBG-FP温度应变双参量传感器，如图1
(b)所示。其中，单模光纤使用美国康宁的单模裸光纤，型号G652D，纤芯为9pm，除去涂覆层后外径为125|xm o石英毛细管使用四川领航光瑞科技有限公司的石英毛细管，型号LHKX128，内径128pm，除去涂覆层后外径为420pm。所使用的FBG室温下的反射中心波长为1550nm,3dB带宽小于0.3nm。
3FP微腔应变测量与FBG温度测量原理
如图1所示,FBG-FP温度应变双参量传感器的应变测量由FP微腔完成，其测量原理是：FP微腔腔长随石英毛细管在外部应力作用下产生的拉伸形变而变化，通过监测FP微腔腔长，即可实现应变测量。FP微腔应变计算公式为：
其中，△厶为FP微腔腔长变化量，乙为石英毛细管的有效工作长度。
采用光学方法，监测FP微腔腔长，即可由公式(1)计算得到应变。当一束光通过单模光纤入射至FP微腔时，一部分光在F1端面发生反射，另一部分光发生透射，在F1端面发生透射的光继续向前，到达F2端
面。到达F2端面的光，一部分光发生反射，另一部分光发生透射。F2端面处的反射光部分进入单模光纤和F1端面处的反射光发生干涉，且F1端面与F2端面的反射率较低并且大小一致，所以干涉光光强可以用双光束干涉公式近似表示为：
4=2^(1-003^)/,(2)
其中,R为两个光纤端面的反射率，入为光波波长,W为介质折射率，此处为空气，可近似为1,1为FP微腔腔长，厶为入射光光强。
采用光谱宽度较宽的宽带光源通过光纤照射FP 微腔，则反射光谱为多峰干涉信号，追踪任意两个反射峰的波长位置，可以解算FP微腔腔长，其计算公式为：
9入”―(3)
2^1A m-A m+g
其中,g为两波峰对应阶数之差,A^A m+，为m阶和m+g阶波峰所对应的波长，且A m>A m+,0
所研究FBG-FP温度应变双参量传感器的温度测量由FBG完成,F2端面处的透射光进入FBG，进入FBG的光只有满足布拉格条件，才会发生强烈反射，其余波段的光发生透射。FBG反射中心波长为：
入b=2%A(4)其中，"皿为光栅的有效折射率,4为栅格周期。
对于自由悬空的FBG而言，没有应变存在，只受温度影响。如果温度变化AT，则波长变化：
AA B=A B(f+a)AT(5)其中花是光纤光栅的热光系数,a是光纤光栅的热膨胀系数。由(5)式可知，温度对FBG中心波长的影响主要来源于两方面：一是热光系数g导致折射率变化；二是热膨胀系数a导致光栅周期变化。
随着温度和应变的改变，FP微腔腔长会随之改变。在温度和应变同时测量过程中，通过FBG的温度测量修正FP微腔由于热膨胀效应而导致的腔长变化量，实现FP微腔的温度补偿，有效解决光纤应变传感中的温度-应变交叉敏感性问题。
4实验与分析
搭建了温度应变双参量实验测试系统，对所提出和制作的FBG-FP温度应变双参量传感器的性能进行测试。如图2所示，该系统由SLD光源、光纤环行器、精密位移台、光谱分析仪(0SA)、加热平台、点温计和FBG-FP温度应变双参量传感器构成。将FBG-FP温度应变双参量传感器两端固定在两台精密位移台上，当精密位移台沿光纤轴向移动时，传感器的石英毛细管随之被拉伸，产生应变。精密位移台中间放置加热平台，点温计温度探头与FBG-FP温度应变双参量传感器仅贴放置，实时监测实验过程中传感器附近的温度。分别在室温、50°C、75J00°C4组不同温度条件下进行了温度、应变测量实验。
彳匚匸UV-curalje epoxy
JIBG-FPTrmperaiurr-strain dual paramelrr trtysnr-
_2........了-----二:—Digimite
Heating unit5-axis translation stages 图2FBG-FP温度应变双参量传感器系统简图
SLD输出的宽带光信号从光纤环行器1端口入射,2端口进入FBG-FP温度应变双参量传感器，携带着FP微腔腔长和FBG中心波长信息的双光束干涉与布拉格干涉复合式反射光，通过光纤环行器3端口进入光谱分析仪。所使用SLD光源光谱的中心波长为1568nm,3dB带宽为98nm，其输出光谱见图3中的子图。
在室温条件下，应变为零时，光谱分析仪采到的FBG、FP微腔的叠加反射光谱如图3所示，在反射光谱中出现了多峰干涉信号，该信号来源于FP微腔的
申佳鑫等：光纤光栅与法珀微腔温度应变双参量传感器
《激光杂志》2021 年第 42 卷第 2 期 LASER JOURNALS Vol. 42,No. 2,2021)
19
反射，另外，还存在一个来源于FBG 的尖锐反射峰,
通过追踪分析反射光谱中的这两部分信号，可以实现
对FP 微腔腔长以及FBG 反射中心波长的监测，从而 实现应变和温度测量。
1 550.3 nm，温度的实际变化量为△ 7=21.8七。
M U A =S U £U
二
-c ac J
Wavelength/nm
图5 FP 微腔的温度-腔长曲线关系
1 500
1 550 1 600
1 650
W a velength/nm
图3 FBG-FP 温度应变传感器的反射光谱
室温50 °cj5 r 和100 T 四组不同温度条件下的 FP 微腔应变和腔长对应关系如图4所示，可以看出，在 不同温度条件下,FP 微腔腔长与应变关系曲线并不在 一条直线上，但均呈现出良好的线性关系，并相互平
行，计算得到FP 微腔的应变灵敏度K s = 175. 2 nm /序。 由于温度-应变交叉敏感性现象，应变相同时,FP 微 腔腔长有所不同。要提高应变测量精度，就要克服温
度-应变交叉敏感性问题。只有通过FBG 的温度测 量结果，才能有效补偿温度引起的FP 微腔腔长变化。
Wavelength/nm
图6 FBG 温度-波长曲线关系
20
120
100806040
0100
200 300 400 500
Strain/ p. e
图4 FP 微腔应变-腔长曲线关系
同一应变(100 “)下，FP 微腔温度与腔长的对 应关系如图5所示，可以看到，温度和腔长的对应关
系呈线性，线性度为99. 13%，计算得到FP 微腔的温 度灵敏度K T = 0.039 6 同一应变下，温度改变25 腔长最大变化量为1.014 pim，应变最大变 化量为5. 79 jjl £o 从实验角度直观地证明了温度会引 起FP 微腔腔长变化,FP 微腔存在温度-应变交叉敏 感性现象。要提高传感器的应变测量精度，必须要修
正温度对FP 微腔腔长的影响。
FBG 反射中心波长与温度关系如图6所示，显
然，随着温度上升，FBG 反射光的中心波长向长波长 方向线性漂移。根据实验结果，可得FBG 的温度灵 敏度为K tb =12 pm /七。通过监测FBG 反射中心波 长，得到实验过程中的实际温度变化量，修正温度引
起的FP 微腔腔长变化。实验结果表明，FBG 的反射 中心波长漂移0.3 nm 时，对应FBG 反射中心波长为
上文中，通过计算得到了 GK t 及等值。利 用FBG 对温度的测量结果，修正图4中，温度引起的
FP 微腔腔长变化，修正腔长的计算公式为：
L(S,T)=L(S o ，T°)+K s (S-S°)+K t 4T (6)其中,L(S 0,T 0)为零应变下，室温下FP 微腔腔 长，即初始腔长。
修正后FP 微腔应变和腔长的曲线关系如图7所 示，修正结果表明不同温度、同一应变下,FP 微腔腔长 的最大偏差为0. 376 fim，最大应变偏差为2. 15从氐 与图4中没有修正的FP 微腔应变和腔长曲线关系相 比，精度提高近3倍。因此，所研究的FBG-FP 温度 应变双参量传感器有效地克服了温度-应变交叉敏感 性问题，实现了应变测量过程中的温度补偿。
120100806040
l u
d. A
.-X A B 0
20
温七氏
室507510(-i /
q &F ^x -?.8-
)0 100
200 300
400 500
Strain/ u. e
图7修正后FP 微腔应变-腔长曲线关系
5结论
研究了一种结合FBG 温度测量与FP 微腔应变 测量的、易于制作的、灵敏度髙的光纤FBG-FP 混合 型双参量传感器，该传感器由两根端面垂直切割的单 模光纤和一段石英毛细管构成，其中一根单模光纤在
申佳鑫等：光纤光栅与法珀微腔温度应变双参量传感器
20《激光杂志》2021年第42卷第2期LASER JOURNAL(Vol.42,No.2,2021)
光纤端面临近位置预刻有一段FBG。FBG的温度测量结果成功修正了温度引起的FP微腔腔长变化，有效地克服了温度-应变交叉敏感性的影响。实验结果表明，对于初始腔长为30.6“m的FBG-FP温度应变双参量传感器，应变灵敏度达到175.2nm/jie，温度灵敏度达到12pm/r，成功实现了应变测量的温度补偿。
参考文献
1Yan L,Gui Z,Wang G,et al.Correction: al.
A Micro Bubble Structure Based Fabry-Perot Optical Fiber
Strain Sensor with High Sensitivity and Low-Cost Character
istics Sensors,2017,17,555.[J].Sensors,2018,18
(9)
.
[2]Changpeng L,Yi L,Kunjian C,et al.Temperature-insen-
sitive optical fiber strain sensor with ultra—low detection
limit based on capillary-taper temperature compensation
structure[J].Optics Express,2018,26(1)：477.
[3]Costa L,Martins H F,Martin-Lopez S,et al.Fully Dis
tributed Optical Fiber Strain Sensor With1012/\/Hz Sen
sitivity[J].Journal of Lightwave Technology,2019,37
(99):4487-4495.
[4]余员琴，余修武，陈海文.基于光纤传感网络的区域报警
监测系统设计[J]•激光杂志,2019,40(04):102-107. [5]Hsu C Y,Chiang C C,Hsieh T S,et al.A Study of Strain
Measurement in Cylindrical Shells Subjected to Underwater
Shock Loading using FBG Sensors[J].Optik,2020:
164701.
[6]Liu Z,Liu X,Zhu S P,et al.Reliability assessment of
measurement accuracy for FBG sensors used in structural
tests of the wind turbine blades based on strain transfer laws
[J].Engineering Failure Analysis,2020:104506.
[7]覃荷瑛，霍婷婷，张贺丽.用于钢绞线大应变测量的光栅
传感技术研究[J]•激光杂志,2017,38(10):60-64. [8]苏超乾，张伟，雷小华.不同粘接材料对FBG应变传感器
性能影响[J].激光杂志,2019,40(01):77-82.
[9]Chen J,Wang J,Li X,et al.Monitoring of temperature
and cure—induced strain gradient in laminated composite
plate with FBG sensors[J].Composite Structures,2020,
242：112168.
[10]Shrestha P,Park Y,Kim C G.Low velocity impact locali
zation on composite wing structure using error outlier based
algorithm and FBG sensors[J J.Composites Part B,2017,
116(MAY)：298-312.
[11]江柳清，胡义慧，江超•一种新颖的长周期光纤光栅应变
传感器[J]•激光杂志,2017,38(07):21-23.
12]Esenturk0,Kaya M.Study of strain measurement by fiber optic sensors with a sensitive fiber loop ringdown spectrome-
ter[J].Optical Fiber Technology,2020,54:102070-. [13]Shi Q,Wang Z,Jin L,et al.A Hollow-Core Photonic
Crystal Fiber Cavity Based Multiplexed Fabry-Perot Inter
ferometric Strain Sensor System[J].IEEE Photonics Tech
nology Letters,2008,20(15):1329-1331.
[14]王解，江超，程迪.毛细管构成的多腔室F-P应变传感器
〔J]•激光杂志,2020,41(04):39-42.
[15]Favero F C,Araujo L,Bouwmans G,et al.Spheroidal
Fabry-Perot microcavities in optical fibers for high-sensi
tivity sensing[J].Optics Express,2012,20(7)：7112. [16]Ferreira M S,Bierlich J,Kobelke J,et al.Towards the
control of highly sensitive Fabry-PQrot strain sensor based
on hollow—core ring photonic crystal fiber[J].Optics Ex
press,2012,20(20)：21946-52.
[17J Liu S,Wang Y,Liao C,et al.High-sensitivity strain sensor based on in-fiber improved Fabry— Perot interferometer
[J]・Optics Letters,2014,39(7)：2121-4.
[18]Liu S,Yang K,Wang Y,et al.High-sensitivity strain
sensor based on in—fiber rectangular air bubble[J].Scien-
tific Reports,2015,5：7624.
[19]Yin C,Cao Z,Zhang Z,et al.Temperature-Independent
Ultrasensitive Fabry—Perot All-Fiber Strain Sensor Based
on a Bubble-Expanded Microcavity[J j.Photonics Journal
IEEE,2014,6(4)：l-9.
[20]Zhou K,Ai M Z,Qian Z H,et al.High-sensitivity strain
sensor with an in—fiber air-bubble Fabry-Perot interferome
ter[J].Applied Physics Letters,2018,113(18)：
181901.1-181901.4.
[21]Hui Li,Qingchao Zhao,Shaodong Jiang,et al.FP cavity
and FBG cascaded optical fiber temperature and pressure
sensor[J].Chinese Optics Letters,2019,17(04)：43-47.
发布评论