（测试计量技术及仪器专业论文）光纤布拉格光栅应变传感中的温度补偿研究.pdf

摘要 摘要 光纤布拉格光栅自从7 0 年代末出现以来，是发展最为迅速的光纤无源器件 之一。因为布拉格光纤光栅有着抗电磁干扰、好的绝缘性、耐腐蚀性、高灵敏 度以及良好的稳定性，所以它显示了在光纤通讯和光纤传感上的巨大的潜力。 本文概述了光纤布拉格光栅的原理，应用和目前的状况和将来的发展方向。 通过耦合模理论分析了光纤布拉格光栅传感的基本原理，推导出了布拉格光栅 波长变化与环境温度和应变的相关方程，以及布拉格光栅的温度灵敏度系数和 布拉格光栅的应变灵敏度系数。分析了温度的过程补偿和温度的结果补偿，提 出了一些温度补偿的典型方法。 搭建了研究光纤光栅基本温度和应变传感特性的试验平台，在- 1 0 1 0 0 和0 | l - 3 8 0l ae 范围内进行了测试。实验中得出的布拉格光栅的温度灵敏度 系数和应变灵敏度系数与理论计算的相一致。 基于等强度悬臂梁提出了一个简单有效的消除温度影响的应变测量方法并 在温度范围为0 一6 0 之间进行了测试，得出最大误差为81 1 。 设计了一个能够对布拉格光纤光栅实现温度补偿的双金属结构，并进行了 研究。双金属结构的布拉格光栅的温度特性在一5 5 0 的温度范围内做了测 试。实验结果显示双金属结构的布拉格光栅的温度系数减小了4 倍。 关键词：光纤布拉格光栅；温度补偿；温度和应变的分离：等强度悬臂梁；温 度灵敏度；应变灵敏度 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c ee m e r g e di nt h el a t eo f19 7 0 s ，f i b e rb r a g gg r a t i n gi so n eo ft h eo p t i c a lf i b e r p a s s i v ed e v i c e sw h i c h h a v eg r e a td e v e l o p m e n t b e c a u s ef i b e rb r a g gg r a t i n gh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha si m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，g o o di s o l a t i o n , a n t i - c a u t e r i z a t i o n , h i 曲s e n s i t i v i t ya n df i n es t a b i l i z a t i o n , i th a ss h o w n a l le n o r m o u s p o t e n t i a lf o rf i b e rc o m m u n i c a t i o na n ds e n s i n g i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o n s ，d e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n do ff i b e r b r a g gg r a t i n ga l eo v e r v i e w e d 1 1 l ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ff i b e rb r a g gg r a t i n g s e n s o ri sa n a l y z e db ym o d ec o u p l i n gt h e o r y 1 1 1 em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e sf o rb o t ht h e t e m p e r a t u r ea n ds t r a i na g ea n a l y z e d t h ec o r r e l a t i o ne q u a t i o nb e t w e e nw a v e l e n g t h c h a n g eo ft h es e n s o r , e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nc h a n g e i se d u c e d t e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t so ff i b e rb r a g gg r a t i n g sa l ed e d u c t e d t h ep r o c e s sc o m p e n s a t i o no ft e m p e r a t u r ea n dt h er e s u l tc o m p e n s a t i o no ft e m p e r a t u r e a l ed e s c r i b e d ， s e v e r a ls i g n i f i c a n ts o l u t i o n sf o rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na g e p r o p o s e d a e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nm e a s u r e m e n ti s m a d et o r e s e a r c hb a s i cs t r a i na n dt e m p e r a t u r es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rb r a g gg r a t i n gi n t h er a n g eo f - 1 0 1 0 0 a n do 嶂3 8 0 肛t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft e m p e r a t u r e a n ds t r a i n s e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t sf i b e rb r a g gg r a t i n ga l e c o i n c i d e n tw i t ht h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s a s i m p l ea n de f f e c t i v et e c h n i q u ef o rm e a s u r i n gs t r a i nb ys e p a r a t i n gt e m p e r a t u r e e f f e c tu s i n gt h ee q u i i n t e n s i t yc a n t i l e v e ri sp r o p o s e d s t r a i ni st e s t e di nt h er a n g eo f0 n 6 0 a n dm e a s u r e m e n te r r o ri s8 肛 1 1 l ed u a lm e t a ls t r u c t u r eo ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no ff i b e rb r a g gg r a t i n gh a s b e e nd e s i g n e da n ds t u d i e d t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co ff i b e rb r a g g 黟a t i i 唱o ft h e d u a lm e t a ls t r u c t u r ei st e s t e di nt h er a n g eo f - 5 c - 5 0 c t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a tt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t so ff i b e rb r a g gg r a t i n go ft h ed u a l m e t a ls t r u c t u r ed e c r e a s e4t i m e s 1 1 a b s t r a o t k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；t e m p e r a t u r ea n d s t r a i ns e p a r a t i o n ；t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y ；s t r a i ns e n s i t i v i t y ；t h ee q u i - i n t e n s i t yc a n t i l e v e r i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：q 黼 扩吕年汐j 月c 7 苫 ( 注：非保密论文无需签字) 年月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签m e t 形年c 71 月汐1 第1 章引言 第1 章引言 1 1 光纤光栅的概况及分类 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k0 h i l l 等人首次观察到掺锗光纤的光敏 性并采用驻波干涉法制成了世界上第一个光纤光栅，【l 】但由于这种方法写入效率 低，并且光栅周期完全取决于入射光的波长，因此当时并未引起人们的广泛关 注。直到1 9 8 9 年，美国东哈特福德联合技术研究中心的c zm e l t z 等人用2 4 4 n m 紫外光双光束全息曝光法成功地制成了光纤光栅，1 2 克服了驻波干涉法的缺点， 从而在世界范围内掀起了光纤光栅的研究高潮。随着此后不久出现的相位掩模 法和准分子激光单脉冲在线写入法极大的推动了光纤光栅应用技术的发展，使 得光纤光栅己成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。 光纤光栅具有体积小、不受电磁干扰、波长选择性好、易于与光纤系统连、 接、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光 栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它作为光通信继掺铒 光纤放大器之后的又一次突破，其应用已深入各行各业。 光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为【3 】【4 】： l 、短周期光纤布喇格光栅：短周期光纤布喇格光栅，通常称为布喇格光栅 或反射光栅，它的周期通常小于1 a n ，是最早发展起来的一种光栅，也是目前 应用最广的一种光栅。它在通信领域中的光纤滤波器、i l l 光纤激光器、光纤波分 复用解复用等领域，在传感领域中的单参数传感、多参数传感、分布式传感， 都有着重要的应用价值。 2 、啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。主要用来做色散补偿和光纤放大器的 增益平坦。 3 、闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折 射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。 4 、长周期光栅：栅格周期为几十至几百微米的光纤光栅，通常称为长周期 光纤光栅或透射光栅，它的特点不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中 去，目前主要用于掺铒光纤放大器的增益平坦器、滤波器、波长选择及耦合器、 第1 章引言 光分插复用器、模式转换及色散补偿器、光开关、和光纤单参数、多参数、化 学及生物传感。 5 、相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到 的。它可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性光栅光谱阻带内打 开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。可以用来构造多通道 滤波器件。 i 2 光纤布拉格光栅传感的特点、主要应用和研究方向 基于光纤布拉格光栅的传感器，其传感过程是通过外界参量对布拉格光栅 中心波长的调制来实现的，属于波长调制型传感器，它具有以下明显优点： 1 、多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用，构成传感器阵列， 实现多参量的准分布式实时测量。 2 、传感探头结构简单、尺寸小( 其外径和光纤本身等同) ，适合各种应用 场合，尤其是智能材料和结构； 3 、以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及 耦合损耗等因素的影响。 4 、零点无漂移，长期稳定，绝对量测量，系统安装及长期使用过程中 无需定标。 5 、测量精度高，使用寿命长，测量结果具有良好的重复性。 光导纤维具有感测和传输双重功能，具有柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干 扰、耐高温、耐腐蚀、传输频带宽、优良的可埋入性等优点。用光纤组成的各 种传感器可测量温度、压力、位移、应力、应变、速度、加速度等多种物理量 并具有极高的灵敏度和精度。1 5 1 以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器是一种新型的光纤类传感器，它 除了具有光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于其他光纤传感器的地方， 它是作为一种光谱分离与光波长选择的器件，信号不受光纤弯曲损耗、连接损 耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响；避免了干涉型光纤传感器相位测量 模糊不清等问题；在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入( 或粘于) 被 测结构，可同时得到几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。到目前为 止，光纤布拉格光栅传感器已应用在桥梁、大坝、大型建筑、石化、电力、钢 2 第1 章引言 铁、核工业、飞机船舶制造、医疗等场合。它在工程结构监测中的应用是光纤 布拉格光栅传感器应用最活跃的领域，结构变形和工作应力状态等力学参数的 测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的。目前， 应用光纤布拉格光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测，加拿大卡尔加里 附近的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之 一，( 1 9 9 3 年) 。1 9 9 9 年，在美国新墨西哥1 0 号州际高速公路的一座钢结构 桥梁上，安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光 栅传感器最多的纪录。这座桥梁于1 9 7 6 年建成，已经出现了许多疲劳裂纹，光 纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数，而且要以测量车辆的速 度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了 解桥梁对交通响应的长期变化。 在国内，光纤布拉格光栅传感在工程结构测试方面的应用逐步增多，2 0 0 1 年，宝钢炼钢厂吊车梁曾应用光纤布拉格光栅传感进行了梁端应力状态的测试， 其短期的测量数据优于电阻应变测量方式；2 0 0 2 年，光纤布拉格光栅被应用于 宝钢炼钢厂厂房结构由于地基沉降引起的应力变化监测；2 0 0 3 年，上海卢浦大 桥主梁应力监测采用了光纤布拉格光栅传感器测试通车期间的应力，并在桥梁 竣工后进行了动态数据采集；深圳会展中心大型钢结构在施工和使用期间的监 测中，应变监测传感器主要采用了光纤光栅传感器，在结构安装张拉施工过程 中进行了实时监控；随着光纤布拉格光栅传感方法的进一步研究和工程应用的 不断发展，将会有越来越多的大型公共建筑和桥梁等监测中得到应用( 如我国 2 0 0 8 年奥运会体育场馆等) 。这方面做得比较好的是北京品傲光电科技有限公 司。 光纤光栅传感器件的基本元件是光栅，现阶段的主要应用基本以温度和应 变传感为主，为进一步发展光纤光栅的传感技术，仍有许多研究工作要做，包 括：( 1 ) 继续深入研究光纤光栅的基本性能，光纤光栅的传感光敏本质机理； 光纤光栅灵敏度、动态测试范围的提高途径：光纤光栅对外界物理量的敏感本 质及其增敏和减敏的可能方式；光纤光栅用于多参量同时测量的途径。( 2 ) 进 一步开展光纤光栅的应用研究，为此应着重研究布拉格波长移位的检测技术， 应力求发展一些方便、价廉、灵敏度高的波长移位检测技术和设备，这将大大 促进光纤光栅传感及其网络技术的发展；此外还应进行光纤光栅在智能结构中 的应用等研究。( 3 ) 进一步完善现有的光栅写入方法及其技术，发展新的写入 第1 章引言 方法，尤其是非均匀光栅的写入方法，进一步降低光纤光栅的成本，提高其使 用寿命( 对于埋入智能结构的光栅更应具有较长的使用寿命。 1 3 光纤布拉格光栅应变传感中温度补偿的必要性及实际意义 由于光纤布拉格光栅的中心反射波长随着所处环境温度的起伏而发生漂 移，这样就很难分辨出反射波长的漂移是否是由外界应变的变化引起的，从而 为光纤布拉格光栅在应变传感中的应用带来很大困难。为了解决光纤布拉格光 栅的温度稳定性问题，光纤布拉格光栅应变传感中的温度补偿研究就是一个关 键的问题，开展光纤布拉格光栅应变传感中的温度补偿的研究在光纤光栅应变 传感领域有着重要的实际意义。 1 4 本章小结 本章主要研究了光纤光栅发展和分类，重点分析了光纤布拉格光栅在传感 上的优点和现阶段的主要应用，以及进一步需要研究和发展的大致方向。最后， 说明光纤布拉格光栅应变传感中的温度补偿研究对于应变传感领域有着重要的 实际意义。 4 第2 章光纤布拉格光栅传感基本原理 第2 章光纤布拉格光栅传感基本原理 2 1 光纤、光纤布拉格光栅基本结构 光纤是光导纤维的简称，是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱 形，已经广泛应用于通信领域的数据传输。由于光纤具有数据容量大、传输快、 耐久性好、价格低廉等优点，已经成为通信领域的支柱产业。光纤的基本结构 如图2 1 所示，由纤：签、包层、涂敷层( 亦称保护层) 、增强纤维和保护套组成。 其中纤芯和包层是光纤的主体，约为1 2 5 t m 左右，对光波的传输起决定性作用。 涂敷层、增强纤维和保护套主要起隔离杂光、提高光纤强度和保护作用。光纤 可以按多种方式来分类：按传输模式分为单模和多模光纤；按纤芯折射率分布 分为阶跃型和剃度型光纤；按偏振态分为保偏光纤和非保偏光纤；按制造材料 分为石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤、液：卷光纤、晶体光纤、特种光纤等。 光纤工作的基本原理基于光的全反射现象，即由于纤芯折射率( ，z ，) 大于 包层折射率( n ，) ，当满足数值孔径( n a = ，z 。s i n c p 。= ( n i n ；) 1 2 ，n 。为空气折 射率) 要求的光线传播到光纤界面时，根据菲涅耳折射定律可知，缈 汐。时，入 射光将不发生折射，全部沿着纤芯反射向前传播。凶此，光纤能将以光的形式 出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其纤芯内，并引导光波沿着光纤轴 线的方向前进。 6 1 幽2 1 光纤基本结构示意图 第2 章光纤布拉格光栅传感基本原理 光纤布拉格光栅是最普遍的一种光纤光栅，其光栅周期与折射率调制深度 ( 亦称为有效折射率) 均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线一致。它是一种性 能优异的窄带反射滤波无源器件。光纤御拉格光栅的折射率分布与反射、投射 特性如图2 - 2 所示。当光波传输通过光纤布拉格光栅时，满足布拉格光栅波长条 件( 九= 2 甩形人) 的光波矢将被反射回来，这样入射光栅波矢就会分成两部分： a 1 光纤布拉格光栅结构示意图 透射光 b ) 光波通过布拉格光栅能量分配订；意图 融勰1 蠹器鏊! 盘凌雾嗯 1 倒啪i 难$ - i i 镐椭鬟粥：1 1 l a - il 黼s p p l ：硼 套 l 琵! 。 蚕- t 。 it 。二 e 胁嗍t $ ： 慧匠鬣二= _ 匿二瓣暴留黑 t 锄钆5 瞄伯瞄嘲h ll 蝣赫自嘲瞳：勘崩眦州 i 嘲期魄煮! 熙懒 燃照燃! 鲍曼；c 。；：l雌缘 5 a l 巾嗽：玑衢ms e ，s ：柏啪1 鼠e s r 凡二硼 t 舶脯巾j 3 】礼呻 麟 c 1 光谱仪得到的布拉格光栅反射谱 d ) 光谱仪得到的布拉格光栅透射谱 图2 2 光纤布拉格光栅结构及其反射和透射特性 投射光波矢和反射光波矢，如图2 2 的b ) d ) 图所示。这就是光纤布拉格光 栅的基本工作原理。光纤布拉格光栅的这种特性基于光栅折射率的周期分布， 6 第2 章光纤布拉格光栅传感基本原理 而这种周期性的折射率分布来自光栅的特殊写入工艺技术，即利用外界能量改 变裸光纤上的折射率。目前已有的布拉格光栅写入技术有：相位掩模技术、振 幅掩模技术、逐点写入技术和全息成栅技术、在线写入技术等，这些技术中广 泛应用的是相位掩模技术【6 l 2 2 光纤布拉格光栅传感的原理 光纤布拉格光栅的中心波长与光栅周期和有效折射率的数学关系是研究光 栅传感的基础。利用已有的研究成果，从麦克斯韦经典方程出发，结合光纤耦 合模理论【7 l - 1 7 】，得到布拉格方程的基本表达式： 如= 2 咒咿人 ( 2 1 ) 其中以为窄带反射的峰值波长，万为纤芯的有效折射率，a 为光栅周期。( 2 1 ) 式是光纤布拉格光栅传感器研究与开发的基础。应变和温度是最能直接显著改 变窄带反射峰值波长的物理量。当布拉格光栅受到外界应变作用时，光栅周期 会发生变化，同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化；当布拉格光栅受到外 界温度影响时，热膨胀会使光栅周期发生变化，同时热敏效应会导致光栅的有 效折射率变化。目前已有的基于光纤布拉格光栅的各种传感器基本上都是直接 或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。 2 2 1 均匀轴向应力下的光纤布拉格光栅传感特性 对光纤布拉格光栅方程( 2 1 ) 两边微分，得 d 九8 = 2 a d n 咿+ 2 n 谚d a 将式( 2 2 ) 两端分别除以式( 2 1 ) 两边项，得 丝：堕+ 坠 入8 n 哂 入 在线性弹性范围内，有 坠：占 1 9 1 人 式中s 轴向应变。 7 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第2 章光纤布拉格光栅传感基本原理 不考虑波导效应，即不考虑光纤径向变形对折射率的影响，只考虑轴向变 形的弹光效应，光纤在轴向弹性变形下的折射率变化如下： 誓= 一孚叫胪桃 弦5 ， 式中p 。和n ：是弹光常数，即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化；d 是 泊松比。 令p ：年慨2 一吠a l + a 2 ) 】，由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 暑1 1 ( 2 5 ) ，可得 錾：( 1 一p ) g ( 2 6 ) 上式为光纤布拉格光栅轴向应变下的波长变化数学表达式，它是处理光纤 光栅应变传感的基本关系式。可以看出，当光纤光栅的材料一旦确定后，光纤 光栅对应变的传感特性系数基本上为一与材料系数相关的常数，这就从理论上 保证了光纤光栅作为应变传感器有很好的线性输出。 令口。= 以( 1 - p ) ，口。可视为光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系 数，由此可得 a a b = 口。s ( 2 7 ) 上式即为光纤光栅中心波长变化与轴向应变的数学关系，它可以方便地将 波长变化数据处理成应变结果。对于纤芯是纯石英的光纤情况，刀毋= 1 4 5 6 ， p 1 = 0 1 2 1 ，p ，= 0 2 7 0 ，d = 0 1 7 ，得p 值约为0 2 2 。若分别取中心波长为 1 5 4 5 n m 、1 5 5 0 r u n 、1 5 5 5 r u n ，由公式口。= 以( 1 一聊计算得每微应变导致的波长变 化分别为1 2 0 5 p m 、1 2 0 9 p m 、1 2 1 2 p m 。由此表明：中心波长变化不大时，每微 应变产生的波长约为1 2 p m ，即a s = 1 2 p m 嶂左右。由于采用的光纤不同、写入 光栅的工艺不同以及退火工艺的差别，不同光纤光栅的传感灵敏度会有差异， 因此不同的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量。 6 1 2 2 2 光纤布拉格光栅温度传感特性 温度变化既引起光纤布拉格光栅有效折射率的变化( 热敏效应) ，同时由于 8 第2 章光纤布拉格光栅传感基本原理 热膨胀也引起栅距的变化( 热膨胀效应) 。不考虑波导效应，将式( 2 1 ) 对温度t 取导数，可得 - 2 ( a 鲁+ 打 ( 2 8 ) 28 = 2 ( a 导+ 打 ( ) 式( 2 1 ) 两边项分别除上式两端，可得 等= 亡等+ 去羚d r 亿9 ， ，o 口 ad 令望堑：f ，即为热光常数；一1 一d a ：口，即为热膨胀系数，从而可得 d t 。 ad t 孕： + 上f ) 刀 ( 2 1 0 ) b n 西 上式即为光纤布拉格光栅温度变化作用下的波长变化数学表达式，它是处 理光纤光栅温度传感的基本关系式。可以看出，当光纤光栅的材料一旦确定后， 光纤光栅对温度的传感特性系数基本上为一与材料系数相关的常数，这就从理 论上保证了光纤光栅作为温度传感器有很好的线性输出。 当温度变化不大时，一般都认为上是一个常数，因此布拉格波长的变化与 以 温度之间有较好的线性关系，但是实际上上是温度的函数，【蠊1 在实际应用中 以谚 若温度变化范围较大，则应考虑温度的非线性影响。 令= 以 + 二f ) ，嘶为光纤光栅温度传感的灵敏度系数，由此可得 l i 咀 五= 口r 丁 ( 2 1 1 ) 上式即为光纤光栅波长变化与温度变化关系，它可以方便地将波长变化数 据处理成温度增量结果。根据有关文献，常用的石英光纤常数口= 0 5 5 x 1 0 巧、 f = 6 8 n 谚xl o - 6 、刀谚= 1 4 5 6 。我们可以得到口( 口+ f 忍咿) = 0 0 7 ，由此说 明仅仅热敏效应占整个温度效应的7 左右。 若分别取光栅中心波长为1 5 4 5 n m 、1 5 5 0 n t o 与1 5 5 5 n m ，则相应的理论计算 9 第2 章光纤布拉格光栅传感基本原理 出的灵敏度系数分别为1 1 3 5 p m c 、1 1 3 9 p m c 和1 1 4 3 p m c 。但是，采用 的光纤不同、写入光栅的工艺不同以及退火工艺的差别，不同光纤光栅的传感 灵敏度会有差异，尤其光纤光栅经过封装后，封装材料会极大地改变光纤光栅 的温度传感特性，因此不同的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量。 6 1 2 2 3 光纤布拉格光栅应变与温度耦合特性 光纤布拉格光栅中心波长在应变与温度的同时作用时候，它的漂移不再是 应变和温度单独作用时产生的波长漂移的简单线性迭加【1 9 】，还存在着的由应变 和温度之间的相互作用产生的影响因素。光栅中心波长视作应变与温度的函数， 表示如下： 厶= f ( 6 ，d ( 2 1 2 ) 将上式展开成泰勒( t a y l o r ) 级数，得 以= f ( 6 ，d ：厂( 氏，t o ) + 掣( f - - 1 3 0 ) + 掣( r t o ) o o i + a t d ( 铡6 0 = f , t ，o ) ( s 一) ( r t o ) + 皇兰! 等 互立( 占一岛) 2 + 篙粤( 丁一t o ) 2 + 一 ( 2 1 3 ) 令九。= f ( 8 0 ，t o ) ；a y i ( e r o , r o ) = 口。；a y 1 ( 8 事o , t o ) = 口r ：a _ t 瓦( c 扩o , t o ) = 口盯； 忽略二阶以上的高阶项，有 九一以o - - - 0 r 。( s 一) + 口r ( t - t o ) + a 疗( e - e o ) ( t - t o ) ( 2 1 4 ) 上式中口。为温度不变时应变导致的波长变化系数，由光纤的泊松比，光弹 性系数、折射率等决定；为应变恒定时温度导致的波长变化，决定于热光系 数及温度膨胀系数；口盯是温度与应变共同作用导致的，上述因素都会对其产生 影响，可由试验来确定。在光纤布拉格光栅传感系统中，当需要测量环境中的温 1 0 第2 章光纤布拉格光栅传感基本原理 度和应变变化量很大时，必须考虑口盯：当温度和应变变化比较小时，可以不 予以考虑。因此，在很多情况下，温度和应变影响可以看作是相互独立的，线 性叠加的，【6 1 即： 从= a t + t r 。s ( 2 1 5 ) 2 3 本章小结 本章对光纤、光纤布拉格光栅基本结构进行了基本的分析，从光纤耦合模 理论得到的布拉格方程的基本表达式，分析了均匀轴向应力下的光纤布拉格光 栅传感特性和光纤布拉格光栅温度特性。推出了光纤布拉格光栅的应变传感和 温度传感的理论的灵敏度系数。最后分析了光纤布拉格光栅应变与温度耦合特 性，在温度和应变变化比较小时，可以不需要考虑光纤布拉格光栅应变与温度 耦合因素。 第3 章布拉格光栅传感的温度补偿技术 第3 章布拉格光栅传感的温度补偿技术 3 1 布拉格光栅传感温度补偿的目的 由第二章理论分析可知，应变和温度都能够使布拉格光栅的反射波长变化， 当光纤布拉格光栅用于传感测量时，很难分辨出应变和温度所分别引起的被测 量的变化，因此在实际应用中必须采取措施进行补偿或区分。若分别取光栅中 心波长为1 5 4 5 n m 、1 5 5 0 n m 与1 5 5 5 n m ，则相应的理论计算出的灵敏度系数口r 分 别为1 1 3 5 p m c 、1 1 3 9 p n y c 和1 1 4 3 p m 。若分别取中心波长为1 5 4 5 n m 、 1 5 5 0 n m 、1 5 5 5 n m ，由公式口。= 旯。( 卜p ) 计算出每微应变导致的波长变化分别为 1 2 0 5 p m 、1 2 0 9 p m 、1 2 1 2 p m 。光纤布拉格光栅的温度灵敏度约为应变灵敏度的 1 0 倍左右，可见温度对布拉格光栅的波长变化影响比应变的大很多。当温度变 化时，用光纤布拉格光栅作应变传感必须考虑如何剔除温度的影响，否则，会 因温度的变化而影响应变测量的精度。这是光纤布拉格光栅固有的问题，成为光 纤布拉格光栅传感器应用的关键问题，为此人们研究并提出了许多解决方案，下 面对一些典型发案进行分析。 3 2 布拉格光栅应变传感温度补偿分类 光纤布拉格光栅应变传感中温度补偿一般基于两种思路【捌：温度的结果补 偿和温度的过程补偿。温度的结果补偿是指在测量后经过某种运算或处理对温 度效应进行剔除或剥离。温度的过程补偿是指在测量过程中温度效应自动抵消。 该方案通过对传感单元进行特殊设计和布置，使其对物理量温度不敏感。 3 2 1 布拉格光栅应变传感中温度结果补偿 温度的结果补偿是指在测量后经过某种运算或处理对温度效应进行剔除或 剥离。该方案研究的重点是在传感探头布置的基础上，进行后续的计算和特殊 地修正。 1 2 第3 章布拉格光栅传感的温度补偿技术 1 参考布拉格光栅法 这种方法采用了一个单独的、对应变不敏感的光纤布拉格光栅作为温度传 感器来直接测量应变传感器周围的温度变化，然后可以通过从总的波长变化中 减去温度引起的波长变化来实现温度补偿。该方法简单易行，但需要两个布拉 格光栅的温度灵敏度相同，这样才能达到较高的精度。 2 双光栅法【2 1 h 2 4 】 双光栅法主要是利用不同中心反射波长的布拉格光栅对温度和应变响应的 不同，实现对应变和温度的同时测量。当两个中心波长分别为 、如的布拉格 光栅受温度和应变作用时，根据( 2 7 ) 、( 2 1 1 ) 可得如下矩阵： 圈= 眨a r 2 可j a g t j ( 2 1 6 ) 因此只要通过实验测得矩阵中的参数值和波长漂移量，即可求得应变和温度 的大小。双光栅法比较典型的是双波长叠加布拉格光栅，在一根光纤的同一位 置写入两个中心波长相差很大的光栅，利用它们表现出不同的应变和温度响应 特性，假定应变与温度产生的布拉格波长变化是独立无关的，只要确定灵敏系 数矩阵就可以求解方程得到应变与温度值，1 9 9 4 年，m g x u 等人采用双光纤光 栅( 1 2 9 8n m 和8 4 8 n m ) 对应变温度进行了测量。以后出现了许多基于这一思想的 方法。但是，为了保证两个布拉格光栅中心反射波长的变化独立无关，所以布 拉格光栅中心反射波长的差别要求足够大，从而导致需要两套光源和解调设备。 3 2 2 布拉格光栅应变传感中温度过程补偿 温度的过程补偿指在应变测量过程中通过对传感单元进行特殊设计和布 置，使其对物理量温度不敏感，从而达到测量应变的目的。 1 负热膨胀系数材料法【2 5 l 1 9 9 6 年，1 w a s h i m at 等人提出了用负膨胀衬底材料进行温度补偿的方法， 1 3 第3 章布拉格光栅传感的温度补偿技术 由于封装材料具有负的温度效应抵消布拉格光栅因温度变化引起的波长变化， 2 不同包层直径光纤熔接法【2 6 】 2 7 1 在两个包层直径不同而材料相同的光纤中分别写入布拉格光栅，两个光栅 将具有不同的应变和相同的温度响应特性，如图3 1 所示。当光纤光栅所受温 度和应变同时改变时，由于两个光栅是相同材料构成，所以具有同样的温度响 应特性，但又因为两段光纤直径不同，导致应变响应特性不同，整体结果表现 为两个光栅对温度不敏感，而对应变敏感，从而实现区分测量。1 9 9 6 年， s w j a m e s 等人采用两个不同包层直径的f b g 作为传感单元进行了测量，通过测 两b r a g g 波长相对偏移量，可知应变的变化。 图3 1 不同直径的光纤光栅熔接示意图 3 双金属结构补偿法【2 8 h 3 1 l 采用两种热膨胀系数不同的金属材料构成的温度补偿结构，当温度发生变 化时，由于两种材料的热膨胀系数不同，布拉格光栅中的应变量同时发生相应 的改变，适当选取这两种金属的几何参数，可以实现温度的补偿。本文就是采 用的这种方式进行的布拉格光栅的温度补偿。 3 3 本章小结 光纤布拉格光栅传感中，不能分辨出应变和温度所分别引起的被测量的变 化，所以必须对温度的影响做一个消除或补偿，补偿的办法分成2 种：温度的 结果补偿和温度的过程补偿。本文提到了一些典型的温度补偿原理和方法，下 几章所要研究的内容都借鉴了这些相关的原理和知识。 1 4 第4 章布拉格光栅温度和应变传感的基本测量 第4 章布拉格光栅温度和应变传感的基本测量 4 1 布拉格光栅温度传感的基本测量 本实验所用布拉格光栅为普通石英光纤加工而成，实验中光纤光栅解调仪 采用北京品傲光电科技有限公司研制的便携式同步动态f b g 解调仪，该仪器内 置一个宽带光源和一个工控机，利用本机自带的软件系统，可以实时地记录下 布拉格光栅传感中的中心波长值。其波长分辨率为l p m ；扫描频率5 0 h z ；双通 道接入，每个通道可接入多个光栅。该仪器的软件原理图、硬件原理图以及实 物图见图4 1 、图4 2 、图4 3 、图4 4 ： 光纤光栅传感器至今已经出现了许多波长解调技术，具体解决方案主要包 括宽带光滤波法、 3 2 1 - 3 6 1 可调谐窄带滤波器法、【3 7 1 - 3 8 1 光干涉法、 3 9 1 激光器扫描 法、1 4 0 c c d 成像。 4 1 1 这些方法有着不同的分辨率和动态范围，针对不同的应用 选择相应的解调方案，可以很好的适用于各种实际应用。 本实验所用的光纤光栅解调仪使用的方法是可调谐窄带滤波器法，其工作 软件原理图、硬件原理图见图4 1 、图4 2 ，具体内容为：宽带光源发出的光经 过f p 可调谐滤波器入射到传感光栅阵列后，被各光栅反射。f p 可调谐滤波器 工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在其中的压电元件上调节腔间隔，使其窄 通带在一定范围内扫描，当它扫过某个布拉格波长时，则让相应传感光栅反射 的光信号通过。通过比较各测量通道内光纤布拉格光栅的反射光谱中心位置相 对于参考通道内标准波长光中心位置的偏移，即可计算得出每个测量通道内各 光纤布拉格光栅的波长值。 1 5 第4 章布拉格光栅温度和应变传感的基本测量 测量通道1 光谱图 16 2 5 n m1 , , 5 6 5 n m 、l j l 从j l 2 5 n m1 5 6 5 n n n且儿且j l 皿血 m1 5 6 5 n n t = 人 - - - - - 一 图4 1 光纤布拉格光栅解调仪软件原理图 l 一一j 图4 2 光纤布拉格光栅解调仪硬件原理图 1 6 第4 章布拉格光栅温度和应变传感的基本测量 图4 3 光纤布拉格光栅解调仪实物图 图4 4 光纤布拉格光栅解调仪的软件部分界面图 试验中的温控箱是德国b i n d e r 的k b 2 3 型低温培养箱，其实物图见图4 5 ， 1 7 第4 章布拉格光栅温度和应变传感的基本测量 岜的温度调节范围为一1 0 到1 0 0 。c ，测量精度为0 1 。c 。 到4 5 德国b i n d e r 的k b 2 3 型低温培养箱图 实验中把不受力的裸光栅放入低温培养箱中，每次温度的变化范围为5 。c ， 每次温度的稳定时问为3 0 分钟，测量裸光栅中心反射波长随温度变化的相关数 据见表4 1 ，相互关系图见图4 6 ： 表4 1 裸光栅中心波长与温度的对应关系 温度中心波长r i m温度中心波长n m 1 0 o 1 5 5 0 6 1 95 0 o 1 5 5 1 1 8 7 5 0 1 5 5 0 6 6 65 5 o1 5 5 1 2 3 8 0 01 5 5 0 7 l o6 0 01 5 5 1 3 5 0 5 01 5 5 0 7 5 76 5 01 5 5 1 4 ll 1 0 01 5 5 0 8 0 37 0 01 5 5 1 4 6 1 1 5 01 5 5 0 8 4 47 5 01 5 5 1 5 0 8 2 0 01 5 5 0 9 0 18 0 01 5 5 1 5 4 5 2 5 01 5 5 0 9 5 18 5 01 5 5 1 6 0 6 3 0 01 5 5 0 9 9 79 0 01 5 5 1 6 5 8 3 5 0 1 5 5 1 0 4 49 5 o1 5 5 1 7 1 3 ，1 0 01 5 5 1 0 8 71 0 0 01 5 5 1 7 7 3 4 5 o1 5 5 1 1 3 7 第4 章布拉格光栅温度和应变传感的基本测量 图4 6 裸光栅波长随温度变化图 相关系数r 表示两个变量变化的共同趋势有多少，相关系数r 的平方j 6 c 2 称 之为确定系数，它表明一个变量的变化有百分之多少可以由另一个变量来解释。 由图4 6 可以看出裸光栅中心波长随温度变化的关系图的相关系数平方r 2 为 0 9 9 6 3 ，两者基本上是线性关系，验证了根据公式( 2 1 0 ) 的理论分析，光纤布 拉格光栅和温度之间有很好的线性关系。公式( 2 1 1 ) 中口r 为： 1 听= 以 + 二o ( 4 1 ) n e f f 口r 为光纤光栅温度传感的灵敏度系数，常用的石英光纤常数 口= 0 5 5x1 0 - 6 、g - = 6 8 n 谚1 0 - 6 、刀酊= 1 4 5 6 。取本实验中采用的光栅 中心波长为1 5 5 1 n m ，则相应的灵敏度系数口，理论计算为1 1 4 0 p r o 。根据图 4 6 线性拟和的直线斜率就是实际样品的口，从图中我们得出为1 0 7 2 p m c 。 4 2 布拉格光栅应变传惑的基本测量 本试验采用3 个贴片式布拉格光栅胶粘于等强度悬臂梁上，放入低温培养箱 中，保持环境温度在2 0 c 下，加载砝码产生应力后进行应变测试，试验中光纤 光栅解调仪采用北京品傲光电科技有限公司制造的解调仪器，试验中的应变仪 用的是纪光世纪电子有限公司的c m 3 1 0 0 静态智能应变测量仪，其实物图见图 1 9 第4 章布拉格光栅温度和应变传感的基本测量 4 7 ，它的测量精度为1 0ue 。测量的相关数据见表4 2 ，相互关系图见4 8 图、4 9 图、4 1 0 图： 图4 7c m 3 1 0 0 静态智能应变测量仪实物图 表4 2 贴片式光纤光栅中心波长与温度的对应关系表 应变中心波长n m中心波长r a m中心波长n m 0 1 5 2 8 6 7 3 1 5 3 0 3 1 61 5 4 9 1 7 3 4 3 1 5 2 8 7 2 4 1 5 3 0 3 6 31 5 4 9 2 2 4 7 2 1 5 2 8 7 5 6 1 5 3 0 3 9 41 5 4 9 2 5 5 9 81 5 2 8 7 8 51 5 3 0 4 2 31 5 4 9 2 8 7 1 2 31 5 2 8 8 1 41 5 3 0 4 4 91 5 4 9 3 1 8 1 2 81 5 2 8 8 1 91 5 3 0 4 5 7 1 5 4 9 3 2 l 1 5 0 1 5 2 8