1.1 FBG传感器工作原理
光纤布拉格光栅是通过改变光纤芯区折射率,产生不同的周期调制而形成的。布拉格光栅中心反射波长的基本表达式为
λ=2neffΛ (1)
式中:λ为光纤光栅的中心反射波长; neff为光纤纤芯的有效折射率; Λ为光栅的周期。当这种带有布拉格光栅的光纤受到拉伸或压缩以及所处温度发生变化时,其光栅周期Λ和纤芯有效折射率neff均会发生变化,从而反射光的中心波长也会改变,即光纤光栅的反射中心波长的变化可以反映外界被测信号的变化情况。
温度和应变共同作用下的光纤光栅布拉格波长的变化量可表示为
Δλ/λ=(1-Pe)ε+(αs+ζs)ΔT (2)
式中:ε为光纤光栅的轴向应变; Pe为有效弹光系数; ΔT为温度变化量; αs为光纤的热膨胀系数; ζs为光纤的热光系数。对石英光纤而言,Pe≈0.22,αs≈0.5×10-6 ℃-1,ζs≈0.5×10-6 ℃-1,故温度和应变引起的光栅中心波长的变化呈线性,通过测量反射光波长的偏移量即可得知FBG所受的应变或所处的温度值及其变化量。
1.2 镀金光纤飞秒刻栅技术
常用的光纤光栅是利用紫外激光和相位掩模板在掺锗光纤上刻写制成,一般称为I型光纤光栅,耐受温度为300 ℃。利用近红外飞秒激光直接在石英光纤内制备高反射率的光纤光栅(II型光纤光栅),可将光纤光栅的耐温值提升至1 000 ℃[16-25]。但传统光纤的聚酰亚胺涂层只适用于300 ℃以下的温度,无法为高温FBG提供有效保护。因此,本文选择在镀金光纤上进行飞秒激光刻栅操作,解决了高温条件下动应变测量的敏感栅区保护和传输问题。
飞秒激光无法透过镀金涂层直接刻写栅区,所以先利用硝基盐酸洗掉待写入栅区的镀金涂层,然后进行栅区刻写工作,待刻栅工艺完成以后,再对栅区溅射金膜涂层,以提高镀金飞秒光栅的可靠性。结合测试部位对传感器尺寸的要求,设置栅区长度为L=5 mm,反射率≥40%。所刻写的Bragg光栅采用基恩士超景深显微镜测量,其测量结果如图1(a)所示。制备的FBG传感器如图1(b)所示。利用光谱分析仪中测量其反射谱特性如图1(c)所示,可得其初始中心波长为1 549.92 nm,反射率为71.42%,半高全宽为0.34 nm,边模抑制比RSMS=27.3 dB。
图1 飞秒激光刻写的镀金光栅传感器
Fig.1 Gold-plated FBG sensor by femtosecond laser
1.3 镀金涂层FBG传感器温度补偿技术
由FBG敏感机理可知,极端高温环境下,温度对光纤光栅带来的影响是不可忽略的,尤其是本文采用的是镀金涂层的光纤光栅,不同的涂层对于光纤光栅的温度性能的影响是有差异的,故高温温度补偿系数的确定是非常重要的。
常用的温度补偿的方式有参考光栅法和经验公式法,本文采用参考光栅法获得了经验公式,确定了不同温度点下的温度修正值。所谓的参考光栅法,即将参考光纤光栅与测试用光纤光栅置于同一温度环境中,参考光纤光栅在整个测试过程中只响应温度带来的波长漂移,那么被测结构实际产生的应变带来的波长漂移变化量为Δλ=λt-λr。本文选择多只镀金涂层FBG传感器开展高温温度特性试验,将其随温度变化发生的中心波长变化量取平均值,并进行线性拟合,如图2所示。图2(a)为3支镀金FBG中心波长随温度的变化曲线图,将其中心波长变化量取均值,绘制曲线并进行拟合,结果如图2(b)所示。由图2可知,镀金涂层FBG传感器随温度变化线性度很好,可以准确得出不同温度点下中心波长的漂移量。将不同温度点下测得的应变值(由中心波长漂移值计算得到的)减掉对应温度点下的波长漂移值即为被测结构件实际产生的应变值,即完成了高温应变的温度补偿。
图2 镀金FBG中心波长/波长变化量随温度变化曲线
Fig.2 Temperature dependent curve of center wavelength/variation of gold-plated FBG
为了验证上述补偿数据的有效性,利用高温等强度梁、高温马弗炉对镀金涂层FBG传感器进行了高温固定应变加载试验,每个温度点下加载标准应变5×10-4,最高温度800 ℃,如图3(a)所示。利用图2得出的数据对某一镀金涂层FBG传感器高温应变的测量结果进行温度补偿,得出的实验曲线如图3(b)所示。
图3 高温应变加载试验/试验用镀金FBG温度补偿效果图
Fig.3 Comparison of temperature compensation for experimental gold-plated FBG
温度补偿后的数据如表1所示,由表1可知,温度补偿后应变变化范围为(-17.1~25.4)×10-5,温度补偿效果良好,测量准确度可以满足航天发动机高温动应变的±10%测量要求,因此可应用于航天火箭发动机高温动应变测量数据修正中。
表1 温度补偿后应变值
Tab.1 Strain values of temperature compensation
1.4 高温等强度梁应变加载试验研究与验证
为了充分验证高温应变测量的有效性与准确性,设计了高温应变加载试验,选了2支初始中心波长为1 530±0.5 nm的镀金飞秒光栅,将其粘贴在高温等强度梁上。具体试验设置如下:温度变动范围:室温~800 ℃,在每个温度点下进行5×10-4的应变加载,2支镀金FBG分别标记为S1和S2,S1和S2温度变化曲线和应变变化曲线如图4(a)所示。
图4 两支镀金光栅温度/应变变化曲线图
Fig.4 Temperature and strain curves of two gold-plated FBG
由图4(a)可知,从常温到800 ℃宽温度范围内,S1和S2两支镀金FBG均可以很好地响应应变的变化,且应变测得值一致性很高; 镀金FBG在300~750 ℃温度范围内线性度很好,其拟合系数R2为0.999,说明在300~750 ℃温度范围内镀金FBG可以线性响应应变的变化,完全可以通过1.3节中得出的温度系数进行高温应变的修正,对上述2支镀金FBG进行温度补偿修正后,应变测量结果如图4(b)所示,室温~800℃温度范围内应变值最大变化可控制在±5×10-5以内。