基于参考光栅的光纤光栅应变传感器温度补偿

光电子 激光

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基于参考光栅的光纤光栅应变传感器温度补偿!"

万里冰!!!!王殿富"

!北京交通大学机械与电子控制工程学院测控系"北京!哈尔滨工业大学复合材料研究所"!#%%%77#"#黑龙江哈尔滨!$’%%%!

摘要%为解决光纤布拉格光栅!应变测量时的应变&温度交叉敏感问题"利用==]9$]9便于构成传感网络的优点"将温度补偿参考=根据"只=]9与应变测量=]9串联在一路光纤上"]9布拉格波长相对漂移获得被测结构应变’双=(Z"较好地实现=]9波长相对漂移对温度的灵敏度仅为%#!"LU]9应变测量的温度补偿’参考=可操作性强"为=]9法原理简单"]9应变传感器的实际工程应用奠定了基础’

关键词%光纤布拉格光栅!#传感器#温度补偿=]9$

中图分类号!!$3-"!"#!7##文献标识码!4##文章编号!!%%’5%%(6"%%6%!5%%’%5%7

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建立起的一种空间周期性的折射率分布"可以改变和控制光波在光纤中的传播’!\\$年"C>NNd#G#

!""*等)分别提出相位掩模方法写入=]9和普通单模

的漂移传感被测参数的"应变和温度是"个能够直接导致布拉格中心波长产生漂移的物理量"即=]9对温度和应变交叉敏感’交叉敏感给=]9应变测量带来了不便"应采取措施去除环境温度波动对应变测量的影响’为此"本文提出了一种参考=]9温度补偿实验表明"采用该方法的应变测量误差仅为法"

应变测量相对误差约为%!6b!$#b’g’/"

通讯光纤的低温栽C增敏技术后"=]9的成本降低"质量稳定性提高"其在通讯和传感技术领域的研

"%%’5%$5"’#修订日期!"%%’5!%5"$"收稿日期!###

北京市科技计划资助项目!$+%6%7%%$%7%!!!#!#基金项目!

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第1期万里冰等:基于参考光栅的光纤光栅应变传感器温度补偿 51

2FBG的交叉敏感

FBG是一种波长选择反射器 它所反射的布拉格中心波长XB表达式为

XB:21effA

<1>式中:A是FBG折射率变化周期;1eff是纤芯的有效折射率 1eff和A二者的变化都可以导致XB产生 波长漂移

使得FBG能够作为换能元件使用 用于传感多种参数 作用在FBG上的应变和温度是2个能够直接导致XB

漂移的物理量 由应变和温度引起总

的波长漂移可表示为

AXB:XB<1-1e>Ae+XB<G+E>AT<2>式中:Ae是轴向应变变化量;AT为温度的变化量;G

和E分别是光纤的热膨胀系数和热光系数;1e是光纤

有效弹光系数 由式<2>知 FBG对温度和应变交叉敏感 当应变和温度同时发生变化时 单独的FBG无法区分由二者分别引起的波长变化

FBG的交叉敏感为应变测量带来了不便 为解决这一问题提出了多种解决方案 总体上可以分为2

大类

5 6

一类为应变温度同时测量 如双FBG矩阵运算法 这种方法是在纤芯传感段重叠写入2个不同波长的FBG 利用他们的不同温度灵敏系数和应变灵敏系数 通过矩阵运算求得所受的应力和温度的变化 这一方法要求2只FBG必须满足条件

K1

KT1

Ke

2

F

K<3>

T2因此2只FBG的中心波长的差别要足够大 往往需要2套宽带光源和波长解调系统 在实际应用中局限性很大 另一类是采取温度补偿措施 去除温度变化引起的布拉格波长漂移部分 如采取负热膨胀系数材

料对FBG进行封装 张亮等人

7

采取这种方法使封装后FBG的温度灵敏度降为0.24pm 实际应

用中 由于很难找到与光纤材料热膨胀系数精确匹配的封装材料 使这类方法的温度补偿精度受到一定限制

3基于参考FBG的温度补偿

3.1参考FBG法

参考FBG法与应用电阻应变片测量应变时设置补偿片的温度补偿方法原理相同 应用FBG测量应变时 将温度补偿参考FBG与应变测量FBG串联在一路光纤上 应变测量FBG粘贴在结构的表面或埋于材料的内部 温度补偿参考FBG则粘贴在与被测结构同一材料制成的试件上 试件处于自由状态且与

被测结构处于相同的温度场中 应变测量FBG和参考FBG对环境温度的变化具有相同的响应 所以两者间的波长相对漂移<波长差>只与应变测量FBG所受的应变有关 与环境温度变化无关 得到的应变为e:

total1

K<4>

e

式中:AXtotal为应变和温度引起的FBG应变传感器波长漂移;AX1

为温度补偿参考FBG波长漂移;Ke为

应变传感器应变灵敏系数

.2实验与讨论

采取水浴加热的方法测试FBG的温度响应 单

只FBG的温度响应曲线如图1所示 2只串联的布拉格波长相对漂移如图2所示 由实验结果知 单只FBG的温度灵敏度为10.5pm 而在8~ 范围内由温度变化导致的2只FBG布拉格波长相对漂移范围只有0.007nm 即2只FBG间的波长相对漂移对温度的灵敏度为0.12pm 远小于单只FBG的温度灵敏度 仅为文献 7

采用的负热膨图lFBG温度响应曲线

Fig.lTemPeraturesensitivityOfFBG

图22只FBG的相对波长漂移Fig.2RelativewaveshiftOftwOFBGsensOrs

3FBGFBG65…… 此处隐藏：3905字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……