基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究

程朴*1，覃慧玲2，蒲亮1

1华中光电技术研究所武汉光电国家研究中心，湖北武汉 430223 2武汉船舶通信研究所，湖北武汉 430205

摘 要:［目的］针对光纤位移传感器动态范围窄的问题，设计一种结构简单、易于制备的气球形长周期光纤光栅（ LPFG）位移传感器。［方法］采用 RSOFT软件进行仿真与优化，得到光纤在不同曲率下的光谱形态，以此来确定测量区间。通过将多模光纤周期性嵌入单模光纤形成的气球形长周期光纤光栅 （ MMF-BLPFG），提供用于测量位移的参考峰。使用精密的连续切割装置作为实验基础，制备与仿真结果一致的实验样品进行测试。［结果］通过测量2个谐振峰的漂移，实现了36 mm的最大位移测量范围。［结论］该研究成果在舰船水下疏水空间管系的稳定性测量和连续监测等需要大规模测量的场景中具有良好的应用潜力。关键词：光纤传感器；长周期光纤光栅；位移传感器；折射率调制；气球形传感器

中图分类号: U665.2文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03278

Displacement sensor with a wide dynamic range based on a balloon-like lonng-pderiod fiber grating

CHENG Pu*1, QIN Huiling2, PU Liang1

1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong Institute of Electro-Optics, Wuhan 430223, China 2 Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430205, China

Abstract: ［Objective］Aiming at the problem of the narrow dynamic range of current optical fiber displacement sensors, a balloon-like long-period fiber grating (LPFG) displacement sensor with a simple structure and easy preparation method is designed. ［Methods］Based on simulation and optimization by RSOFT software, the measurement range is determined by the balloon-like optical fiber under different curvatures. A multimode fiber balloon-like LPFG (MMF-BLPFG) formed by periodically embedding multimode fiber (MMF) into single-mode fiber (SMF) provides a reference peak for measuring the displacement. Using a precise continuous cutting device as the experimental basis, test samples consistent with the simulation results are prepared for testing. ［Results］The maximum displacement measurement range of 36 mm is achieved by measuring the drift of two resonance peaks. ［ Conclusions］ The proposed sensor has good application potential in large-scale measurement scenarios such as the stability measurement and continuous monitoring of the underwater drainage space piping systems of ships.

Key words: optical fiber sensor；long period fiber grating；displacement sensor；refractive index modulation；balloon-like sensor

0 引 言

位移传感器在结构健康监测、精密加工和预测性维护中发挥了重要作用。舰船内部系统的液压、疏水、海水冷却等管系，在液体快速通过的时候会出现流体瞬变现象，可能造成管线颤抖，产生微位移，导致光线松动。为了测量这些对舰船安全造成威胁的微小扰动，位移传感器是必不可少的器件[1]。目前，电、磁和光学位移传感器已被广泛研究和应用。其中，光学传感器具有耐腐

蚀、抗电磁干扰和重量轻的固有特性，可以在极端温度、强电磁环境以及易燃易爆的恶劣环境中工作。因此，它们在位移测量中的地位不可替代。迄今，研究人员已开发了大量基于Mach−Zehnder干涉仪（Mach−Zehnder interferometer , MZI）、光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）、法布里−珀罗干涉仪（ Fabry−Perot interferometer, FPI）和可变线间距（ variable line spacing, VLS）光栅的光学位移传感器。Li 等 提出了一种 FBG位移传感器来监测[2]浮板的减振情况。在 0～ 20 mm的位移范围内，灵敏度为 33.36 pm/mm。Lu 等 使用具有锥形微[3]纳光纤的 FPI实现了高分辨率位移测量，位移灵敏度为 36.5 nm/mm，分辨率为 0.004 mm。Zhao 等[4]使用带有 2个光纤球加七芯光纤的对称 MZI 传感器，实现了温度和位移的同时测量，位移和温度灵敏度约为 2.0 nm/mm 和 90.0 pm/°С，但位移测量范围仅为 0.48 mm。带有 VLS光栅和Y型双芯光纤的位移传感器具有30 mm的宽测量范围，同时可以避免温度的串扰[5]。大多数光纤位移传感器专注于提高灵敏度，然而许多应用场景要求传感器具有较大的测量范围。气球形光纤传感器已应用于折射率[6]、温度[7]测量和双参数的同时测量[8]。例如，Tian 等 基于[9]气球形弯曲结构实现了温度和位移的同时测量。最大位移测量范围为100 μm。Liu 等 使用通过[10]弯曲单模光纤得到的球形结构测量折射率和温度。在前人研究中，气球形传感结构通常属于多模干涉仪类型。但是，这些传感器的主要问题是其通常具有较大的插入损耗（大多数超过−30 dB）和密集的自由光谱范围。而光纤光栅具备较低的损耗以及大范围光谱内的单峰特性，使用光纤光栅制备球形位移传感器就成为了解决这些问题的良好方案。与干涉仪的多谐振峰以及制备的不稳定性等缺陷相比，光栅具有更低损耗和更少参考峰的优势。本文拟提出一种用于大动态范围位移测量的多模光纤（multimode fiber, MMF）气球形长周期光纤光栅（ MMF-BLPFG）。光纤具有良好柔性，通过拉动光纤尾纤可以在很宽范围内任意改变气球形传感器的弯曲半径；当位移改变时，在光谱中可以清楚地看到谐振峰的衰减和生长。因此，新诱导出的谐振峰能够被用于扩展位移测量范围。首先，本文利用仿真软件设计光纤传感器，在理论上证明弯曲光纤传感器实现大范围位移传感器的可行性；然后，使用连续的光纤切割与熔接方法获得实验样品，通过实验研究分析不同位移对球形光纤光栅传输光谱的影响。

1 制造和传感原理

图 1 所示分别为直线 LPFG和弯曲的 LPFG结构，MMF-BLPFG结构的制备是通过MMF光纤（芯包层直径分别为105 和 125 μm）按照一定的周期插入到标准单模光纤（ single mode fiber, SMF） （ 9/125 μm）中。传感器的周期长度为 600 μm，其中包含了一段 200 μm 的 MMF和一段 400 μm 的SMF，总长度为 3.6 mm。然后，以 MMF-BLPFG 结构为中心，将两端的传输光纤弯曲并插入毛细管中便形成了气球形结构。其中，气球形结构的弯曲半径和长度分别定义为r 和L。当光纤由直变弯时，光轴两侧材料的有效折射率会发生变化，内测折射率相比外侧折射率更高。当光纤弯曲时，由光弹效应引起的横截面有效折射率分布（ neff ）的变化可以表示为[10]：式中： nco为光纤芯的折射率；a和 r为光纤芯半径和弯曲半径， φ为弯曲角度。可见，光纤的折射率在横向上是各向异性的，光轴内侧有效折射率减小，轴外有效折射率增大。当光沿着输入SMF 到达气球形结构时，一部分光泄漏到包层中。随着光继续传输到 MMF-BLPFG 结构，由于 MMF和SMF之间的严重芯失配，光泄漏更加剧烈，并激发包层模式。同时，弯曲导致了折射率分布的不对称性，进而使得光纤的激光模场分布随之变化。

2 理论仿真

仿真光场分布如图2所示。由图可见，具有不同弯曲直径的 MMF-BLPFG 在不同波长处可以显示出多个谐振峰。同时，由于 MMF中的光对

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