（机械工程专业论文）采用光纤bragg光栅的机械手力传感技术研究.pdf

摘要 摘要 光纤b r a g g 光栅( f b g ) 具有尺寸小、重量轻、传输距离远、抗电磁干扰、耐 腐蚀、无源等优点，它正成为传感领域的研究焦点，是常被用来测量应力温度 和应变的一种新型的光纤传感器，它的应用将有着非常广阔的发展前景。 本文主要研究内容是设计一个实用性的光纤b r a g g 光栅测力传感器。为后期 机械手或机器人提供必要的传感支持。以光纤b r a g g 光栅为研究对象，对其传感 机理与交叉敏感及应力增敏作了深入分析。考虑工程实际的应用，侧重论述光 纤b r a g g 光栅交叉敏感问题、应力增敏方案和如何实现空间力的测量。 论文围绕使用光纤b r a g g 光栅测力传感展开。首先介绍光纤b r a g g 光栅用于 应力测量的技术与国内外研究现状：其次介绍光纤b r a g g 光栅的传感原理，从原 理层面介绍f b g 产生应力、温度交叉敏感的机理，并提出新型温度补偿方案； 再次通过论述比较各种应力增敏方案，选择适用的增敏方式用于传感器的设计； 研究现行的机械手测力传感器，并设计能够测量空间力的光纤b r a g g 光栅传感 器。对设计结果进行受力模拟，并进行优化设计。 关键词：光纤b r a g g 光栅；机械手传感器；交叉敏感：温度补偿 a b s t r a c t f1 b e rb r a g gg r a t i n g ( f b o ) h a sa s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，d i s t a n t e 咖s m i s s i o n 瓤l e i e c 仃o m 哪c t i ci n t e r f e r e n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，p a s s i v e ，e t c ，i ti sb e c o m i n g t h ef o c u so f t h es e n s i n gf i e l do f s t u d y , i so f t e nu s e dt om e a s u r et h es t r e s s t e m p e 劬鹏 a n ds t r a man e w t y p eo fo p t i c a lf i b e rs e n s o r s ，i t sa p p l i c a t i o nw i l lh a v ea v e r yb r o a d p r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t t h em a i nc o m e m so ft h i sa r t i c l e i st od e s i g nap r a c t i c a lf i b e r b r a g g 莎a t i n g s t r a i ns e n s o r s p r o v i d et h en e c e s s a r y s e n s i n gs u p p o r tf o rp o s t m 撕p m a t o ro rr o b o t t1 b e r b r a g gg r a t i n ga st h e o b j e c to fs t u d y , a n di t s s e n s i n gm e c h 砌s mo f c r o s s - s e n s i t i v i t ya n ds t r e s s s e n s i t i z i n ga n a l y z e di n d e p t h c o n s i d e r 娃l ea c t l 】a i a p p l l c a t l o n ，f o c u s i n go nt h ed i s c o u r s ef i b e rb r a g gg r a t i n gc r o s ss e n s i t i v i t y , s t r e s s s e n s i t i v i t yp r o g r a m sa n ds p a c ef o r c em e a s u r e m e n t p a p e r sa r o u n dt h eu s eo ff i b e rb r a g gg r a t i n gs t r a i ns e n s i n gc o n l i n e n c e f i r s t m t r o d u c e dt ot h ef i b e rb r a g gg r a t i n gi su s e df o rs t r e s sm e a s u r e m e m t e c h n 0 1 0 9 ya n d r e s e a r c hs t a t u s ；f o l l o w e d b yt h ef i b e rb r a g gg r a t i n g s e n s i n gp r i n c i p l e ，蠡mt l l e p r i n c i p l el e v e l ，t h ef b gs t r e s s ，t h et e m p e r a t u r ec r o s s s e n s i t i v i t ym e c h 撕s m a | 坩 p r o p o s e d an e w t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n s c h e m e ；a g a i nb yd i s c u s s e st h e c o m p 锄s o no fd i f f e r e n ts t r e s ss e n s i t i v i t yp r o g r a m ，s e l e c tt h ea p p l i c a b l es e n s i t i z e rf o r t n ed e s l g no ft h es e n s o r ；e x a m i n a t i o no f e x i s t i n gr o b o tf o r c es e n s o r sa n df i b e rb r a g g g r a t i n g s e n s o r d e s i g nc a p a b l eo fm e a s u r i n gt h e s p a c ef o r c e w i t ht h ef o r c e s i m u l a t i o n ，a n do p t i m i z et h ed e s i g n k q 唧o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；r o b o ts e n s o r s ；c r o s s s e n s i t i v i t y ；t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n i i i 第1 章引言 第1 章引言 近年来，光纤光栅在光纤传感方面的应用越来越受到人们的重视。相比传 统应力传感器，光纤应力传感器有着一些独特的优点。尤其是分布式光纤传感 器在大型建筑工程、桥梁隧道、铁道公路、油气管道、结构健康监控等方面的 应用几乎是独一无二的，是其他类型传感器无法比拟的。光纤光栅作为传感元 件，具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简单、体积小等特点，并具有独特的传 感信息波长编码及易于实现分布式传感的优点。 现代工业的迅速发展，对机械手的自动化、智能化提出更高的要求。要实 现机械手自动化、智能化的目的，必须有相应的传感器做支撑，没有传感器的 支持，再好的机械手设计也只是空中楼阁。 1 1 传统的测力传感器 我们用传感器的目的主要是测量机械手受到的外力的大小。传统的测力传 感器种类较多，按工作时的转换原理可以归为电磁类、光电类、液压类、电容 类、磁极变形类、振动类、陀螺仪类以及电阻应变等。其中，电阻应变式传感 器使用最为广泛。 电阻应变式测力传感器的测力过程是让外力作用在弹性体上，在外力作用 下的弹性体产生弹性变形，弹性体的弹性变形使粘贴在它表面的电阻应变片发 生弹性变形，电阻应变片产生形变后，它的电阻值会发生变化，通过电阻检测 系统将测到的电阻变化装换为外力情况呈现。 由上述过程知道，一个完整的电阻应变式测力传感器包含三个主要部件。 1 电阻应变片：体积很小的电阻丝以一定的形式布置在有机材料基底上， 使用时由粘胶剂粘贴于弹性体的合适位置。它的一个重要参数是灵敏系数k 。 2 弹性体：这是一个经过特殊设计的结构件，如前面过程所述，目的是应 外力而产生应变，将应变传递给电阻应变片。技术要求上要求弹性体能够产生 一个适合测量的应变区域，使粘贴在此区域上的电阻应变片输出比较理想信号。 第1 章引言 3 检测系统：是整个测量系统的关键所在，它把检测到的电阻应变片的电 阻变化转换为外力信息。检测系统的优劣直接影响到传感系统的测量精度。 随着技术的进步，电阻应变式测力传感器已经广泛地应用到各行各业。 1 2 光纤测力传感器 光纤光栅传感器的基本工作原理是：光源的宽带光经过耦合器进入光纤光 栅传感器，符合光纤光栅传感器耦合条件的光会被反射，反射出的光又被送入 解调器，解调出反射光的参数( 通常表现为中心波长的变化) 即可知道传感器 所受的外界物理量。 由上述光纤光栅传感器的基本工作原理可以知道，光纤光栅传感器可以用 于测量应力外，还可以用于测量其他物理量。只要这些物理量能够导致调制区 发生变化，引起反射光的中心波长的漂移。在现实生产生活中，光纤光栅传感 器的应用范围很广，可以取代传统传感器。由于光纤光栅传感器利用中心波长 的漂移现象来测量物理参量的变化，又属于无源传感器，有着天生的抗电磁干 扰能力，所以它可以利用在复杂的工业环境中而不用过多考虑周围的干扰或者 在气象恶劣环境中使用。这些特点解决了一直困扰传统传感器的复杂环境应用 问题，将来肯定会有巨大的市场需求。 图1 1 光纤测力传感器 图1 1 中所展示的是一款产品名称为光纤光栅式钢筋计的传感器。 b g k f b g 一4 9 11 型光纤光栅式钢筋应力计( 锚杆测力计) 采用焊接的形式，用 于监测大坝、厂房基础、桩基、桥梁、隧洞衬砌等结构的钢筋应力。仪器可长 期埋设建筑物内，测量结构内部的钢筋应力，也可用于锚杆的应力测试。配合 第1 章引言 高速光纤光栅解调仪还可用于动态监测。精度达到0 3 ，分辨率o 1 ，适用 温度范围3 0 , , - , + 8 0 。c 。 这是一种光纤传感器的典型应用，它将光纤的传感部分( 经过保护) 埋入 受载荷材料，材料用于工程中时，可以通过光纤传感器实时监测载荷情况。 1 3 机械手测力的研究现状 机械手通过力的传感器对其指尖、关节等运动中或加持时所受的力进行感 知，主要的感知信息内容包括：机械手有关部件( 如指尖) 所受外力及转矩； 进一步还可以将传感器放在机械手的关节处，检测机械手的关节力矩腕力；放 在机械手的支座上，检测台架上的支座力等。根据检测目标的不同，可以把传 感器分为测力传感器、测力矩传感器。测力传感器的实现是以用应变片式式传 感器、导电橡胶类的压电元件式传感器以及差动变压器、电容位移计式传感器 等。在机械手中的用来测力的多采用应变片式为主。 本文要设计的传感器安放在机械手的指尖处，暂时称为指尖传感器。它可 以直接检测机械手的末端的作用力，不仅获得受力大小的参数，还能通过三个 轴上独立的受力情况知道外力的方向。机械手上应用的测力传感器要求精度较 高，而且用于指尖的话在体积上个有更高的要求，同时也要兼顾重量和灵敏度 等性能。 目前使用的机械手传感器的典型方式是采用应变片式传感器的。这种结构 上是使用两根9 0 。交叉的弹性体，弹性体交叉部位为中间，在弹性体的4 端的 各个平面上分别贴上应变片，即每面贴一片总共贴8 对应变片。检测的时候， 每面上的应变片与这跟弹性体对面上的应变片连接进入惠斯通电桥，电路输出 的电压信号和垂直于应变片所在的平面上所受的力成正比。这种差动式解调的 方式可忽略温度引起的影响。通过检测这8 对应变片，可以得到8 组数据，由 于外力与形变成线性关系，形变又和产生的信号成线性关系，最后可以根据力 和力矩的平衡条件，反求出3 个轴向上的各个力分量，从而达到测量空间力的 目的。 国内研究人员也研发了一种用于医疗机械手腕部的三维力传感器。传感器 的设计思路也是利用惠斯通电桥法检测电阻应变片的方法。但是弹性体不是前 第1 章引言 文所述的十字弹性块，他们使用的弹性体是两个扁环式的结构。为了实现检测 空间三维力的目的，研究人员在弹性体的应变敏感部位贴3 组电阻应变片。 放大电路 图1 2 空间力传感器系统原理 上图1 2 中是空间力检测系统的原理图。这也是典型的应变片式传感器的 通用检测方法：弹性体贴上电阻式应变片，弹性体受外力产生形变，弹性体将 产生的形变传递给应变片，电阻应变片由于应变电阻值发生变化，检测电路通 过检测电压的信号变化可以得到相应的数据。由于外力与形变成线性关系，形 变又和产生的信号成线性关系，最后可以根据力和力矩的平衡条件，反求出3 个轴向上的各个力分量，从而达到测量空间力的目的。 图1 3 电阻应变片的电桥检测方法 据介绍，这种空间力传感器，可以测量x 、y 、z 三个方向上的力，而且弹 性元件有足够的刚度，可以应对可能出现的超载情况。弹性体是传感系统中最 重要的元件，在设计弹性体时必须让弹性体在受力方向上的灵敏度高，同时在 不受力方向上减轻形变。这种一体化的电阻应变片式传感器，解决了空间力传 感器的体积大、刚度低等问题，还达到了测量范围大、检测精度高、外界扰动 小等特点。 4 第1 章引言 随着光纤技术的迅速发展，利用光纤传感器来测量应力的情况也越来越多。 国外就有利用光纤传感器来测量指尖受力的传感系统的研究。 图1 4 光纤传感器测力 如上图1 4 所示，他们设计的测力传感器是网格圆筒形的，在其中嵌入光 纤传感器。由于采用网格型的设计，可以比较容易地采集到细微的应变，而采 用光纤嵌入的形式又可以减少设计体积。在实验中测试传感器的检测能力：以 一定的加持力将1 0 0 克的重物水平移动距离约3 0 厘米，然后返回到初始位置。 实验结果表明该传感器用于测量加持力时，误差可以达到0 0 3 n 。但是也有较 大的缺陷，由于结构是采用聚合物制成，测力时候产生了一定量的蠕变和滞后。 研究人员提出的解决方案是嵌入钢筋网，减轻这些影响。 1 4 研究意义 传统力传感器是采用电阻应变片式的检测方法，一般情况下一组应变片用 于测量一个方向上的受力，而且需要设计适合的弹性体的形状，以利于产生理 想的应变。当需求是测量空间力时，问题就变得复杂起来。首先就是要增加应 变片的组数，然而单纯地增加组数并不能实现空间力的测量。还需要设计相应 的应变弹性体，这就不仅增加了设计的难度，还有可能使设计出的传感器的体 积过大。有些简单的解决方法是为空间力传感器设计三组一样的传感器，三组 第1 章引言 传感器分别测量各自敏感方向上力，以此达到实现测量空间力的目标。但要实 现这样的目的，传感器的弹性体的刚度就有一定的要求，也就使得设计传感器 的外形尺寸相应的增大。 随着光纤技术的迅速发展，利用光纤传感器来测量应力的情况也越来越多。 近年来，测力传感器朝着高灵敏、高精确度、适应性强、小巧化和智能化的方 向发展。光纤传感器正可以符合这些要求，所以在机械手的测力方面，光纤传 感器倍受青睐。当前，研究人员对光纤光栅传感系统的研究主要在两个方面： 原理层面研究和实用型传感器的开发。 我们研究光纤光栅传感的目的，基本上是为了弥补传统传感器某些方面的 不足。这种新型传感器将会在在日后的竞争中占有明显优势，光纤b r a g g 传感 器就是个很好的例证。虽然传统传感器没有光纤光栅传感器的抗电磁干扰、灵 敏度高等优良特性，但是很多传统传感器的成本相当低廉，对解调等设备的要 求低，最主要的是它们的市场占有份额相当大。 如前文所述，光纤传感器领域的研究主要可分为两大方向：原理性研究与 实用性开发。本文所要做的就是对光纤进行应用开发，设计开发出具有实际应 用能力的光纤传感器。 1 5 主要工作内容 本文主要目标是设计一个实用性的测力传感器。以光纤b r a g g 光栅为研究 对象，对其传感机理与特性深入了解。为后期机械手或机器人提供必要的传感 支持。考虑工程实际的应用，侧重论述光纤b r a g g 光栅交叉敏感问题、应力增 敏方案和如何实现空间力的测量。以光纤b r a g g 光栅为研究对象，对其传感机 理( 传感原理及传感理论) 与特性( 交叉敏感及应力增敏等) 深入了解。论文 围绕使用光纤b r a g g 光栅测力传感展开。 ( 1 ) 首先介绍光纤b r a g g 光栅用于应力测量的技术与国内外研究现状。 ( 2 ) 介绍光纤b r a g g 光栅的传感原理，从原理层面介绍f b g 产生应力、温 度交叉敏感的机理，并提出新型温度补偿方案。 ( 3 ) 通过论述比较各种应力增敏方案，选择适用的增敏方式用于传感器的设 计。 ( 4 ) 研究现行的机械手测力传感器，并设计能够测量空间力的光纤b r a g g 光 6 第1 章引言 栅传感器。 ( 5 ) 对设计结果进行受力模拟，并进行优化设计。 7 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 本文拟采用光纤b r a g g 光栅传感器设计一个能够测量三维力的传感器。因 为光纤b r a g g 光栅不仅有：易于光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠高等特 点，而且作为传感元件，它还有其他传统传感器无可比拟的优点：传感的信息 用波长编码，而波长参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响。该光 栅具有结构简单及温度和应变灵敏度特性良好等特点，在光纤通信领域和传感 领域均有广泛的应用【2 】。 由于光纤b r a g g 光栅传感器的原理是利用波长变化来检测外界物理量的， 而应力和温度都能引起光纤b r a g g 光栅的中心波长发生漂移。所以当它用作传 感器时，要注意其中的交叉敏感问题。除了交叉敏感以外，还应当注意到光纤 b r a g g 光栅本身对外界的应力敏感度并不高，必须通过适当的方式进行应力增 敏。 2 1 光纤b r a g g 光栅原理 光纤光栅传感器的基本工作原理是：光源的宽带光经过耦合器进入光纤光 栅传感器，符合光纤光栅传感器耦合条件的光会被反射，其他未被消耗的光则 会穿过栅格区继续前进，反射出的光又被送入解调器，解调出反射光的参数( 通 常表现为中心波长的变化) 即可知道传感器所受的外界物理量p ，4 】。传感器的耦 合条件和光纤的物理参量有关，直观的可以认为光纤被写入栅格后，就在纤芯 内形成具有上述条件的“过滤器”。这个“过滤器”可以利用相干光曝光在纤芯 上形成，也可以用激光进行点点写入，最终在纤芯形成永久性、周期性调制的 一种光纤，这也是光纤光栅主要的写入方式【5 j 。 图2 1 中，a 图表示宽带宽的光进入光纤b r a g g 光栅后，一部分光发生投射， 另一部分发生反射；b 图中反应了入射光、透射光和反射光三者之间的光谱关 系【6 】。可以得到粗略的认识，光纤b r a g g 光栅的反射光是入射光中去掉投射的 那部分，而其中反射光的条件则由光纤b r a g g 光栅的栅格距离人和光纤的特性 ( 由效折射率n 。f r ) 决定的。 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 入射光 _ - _ _ _ _ 。1 卜 勺丽砸 芯层包屡 ( 削光纤b 豫g g 光栅结构示意豳 - + 透射光 ( b ) 光汲通过光纾b m g g 光栅能量分布示惹图 图2 1 光纤b r a g g 光栅原理 如前面所述，光纤b r a g g 光栅的纤芯是折射率受永久性、周期性调制后形 成了规律分布的栅格的一种特种光纤。它的折射率周期调制特点，使之可以做成 波长选择反射器和带阻滤波器，将光纤b r a g g 光栅和一些专用的解调等设备配合 使用可以变成各种性能优良的光纤传感器【7 1 。通过往纤芯内写栅格的手段，光 纤还可以用于开发成检测应力、应变、温度等物理量的光纤传感器【8 域实现光 纤光栅分布式传感网络 9 】。另外还可以利用掺铒光纤( 提高光纤的传导增益) 内写入光栅后形成的高反射率特性的窄带反馈腔的原理制成光纤激光反射器； 根据这种反射器的特性还可以用光纤光栅制成光谱的滤波器以及色散补偿器等 笔 1 】，1 2 寸 o 对光纤纤芯层光栅写入时，可以在相干光中曝光，也可以用激光进行点 点写入，最终在纤芯形成永久性、周期性调制的高反射率窄带反馈腔。写入过 程是利用光纤的光敏性而受光照导致折射率变化。制作出的光纤光栅的导波原 理是纤芯光致折射率的变化造成了光纤波导条件的改变，从而使具有一定波长 的光波在该区域发生相应的模式耦合【1 3 】。从理论上分析光纤b r a g g 光栅的特性， 最基本的方法是耦合模理论，耦合模理论并不是为了研究光纤光栅而建立起来 的，早在光纤光栅出现之前，耦合模理论已成功用于分析平面波导光栅、波导 间的耦合等问题，光纤光栅是建立在圆柱波导中，而平面波导光栅是建立在平 板波导中的，在处理方法上，它们的差别在于电磁场的边界条件不同，存在的 模场分布也不同，但很多方法与结论实质上是相同的。 9 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 在被写入光栅的线芯区域，光纤轴向上的折射率变化可以表示为【1 4 】： l 胛1 1 + f ( r ，缈，z ) ，i ，i a 1 n ( r ，矽，z ) = 胛2 ，口i 呸 上式中，q 为光纤的半径，a 2 为光纤保护层的半径； 的折射率，他为光纤保护层折射率，伤为空气的折射率； 敏性而受光照导致折射率变化函数。 其特性如下 ( 2 1 ) ，z l 为纤芯未受光照时 f ( ，仍z ) 是光纤的光 f ( ，伊，z ) i 。：垒，0 1 0 07 x 1 0 4 在线写入单脉冲法 ，5 52 0 0 任意 ，旷 光纤薹掣灵显茎全耋栅 点点写入法 0 6 - - 0 9 1 0 5 可以写入任意周期的光栅 资料来源：网络 2 2 光纤b r a g g 光栅应力传感原理 由前文的原理介绍，可以知道光纤b r a g g 光栅的传感机理，只要外界变化 影响到光纤的有效折射率或者栅格的周期，就可以引起传感器反射中心波长发 生漂移。当光纤b r a g g 光栅受到外界的应力以后，光纤b r a g g 光栅会发生相应 的应变，由此可以导致栅格的长度发生变化，这样就引起了中心波长的漂移。 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 进行理论分析时，我们假设为理想状况：光纤b r a g g 光栅受到外界应力时 没有切向应力，而且环境温度保持不变。光纤受到外力发生应变时，引起栅格 的周期变化：a a = 人s ： 光纤b r a g g 光栅的有效折射率的变化可以用弹光系数矩阵p i j 和应力张量矩 阵i 表示为【1 7 】： 2 驴嘣f _ 1 2 3 ( 2 7 ) 式中的i 表示空间上的三个方向。 由之前的理想状况假设，可以知道s 。= 岛= 。= 0 ， 由轴向应力表示出来 0 = 卜v e z v s z s z 00 0 所有弹光矩阵就是 弓= 互，# ：墨： e ：暑，e ： 丑： 鼻：置。 由此可以将应力的张量 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 上式2 9 中，p u 是光纤的弹光系数，v 为材料的泊松比( 材料在单向受拉或 受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值) ，材料的各个方向同性时 p 一只1 一只2 14 4 2 ( 2 1 0 ) 由于径向应力的存在，所以需要考虑弹光张量中的i ，j = 1 ，2 ，3 的矩阵元，此 时弹光张量可以简化成 将式2 8 和式2 1 1 代入到2 7 中，可以得到 ( 2 1 1 ) i 一 2 2 l墨鼻日 2 2墨暑暑 l 2 2置舅舅 。l | i 弓 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 ，f # ：一v ( 暑，+ 异：) t ，x 方向 世广h - ：v ( p j l + p 1 2 啪) e y , y 向方向 汜 所以在轴向上的折射率的变化 i l 酊2 一扛矿1 ) 一1 # - _ v ( 暑，制一 ( 2 1 3 ) 现又引入有效弹光系数只， 只= 一言n ： 墨一v ( # + 最z ) 】 ( 2 1 4 ， 由此可知轴向力引起的波长漂移变化 华：( 1 一) 占 蚀 ( 2 1 5 ) 式2 1 5 中以为光纤光栅的谐振波长，以为光纤光栅的谐振波长的变化量， 为光纤光栅的有效弹光系数，s 为应力的张量。此式反应了光纤b r a g g 光栅 的波长漂移变化与应变之间的关系。同时也可以知道，光纤b r a g g 光栅的传感 特性是与材料相关的常数，发生波长的变化可以认为和应变的变化呈线性关系。 由式2 t 5 中，我们还可以知道光纤b r a g g 光栅的应变敏感 k ：等：1 一只 6 ： ( 2 1 6 ) 式中，疋为光纤光栅的应变敏感，以为光纤光栅的谐振波长的变化量， e 为光纤光栅的有效弹光系数，s ：为应力的张量。同时，它的2 阶应变敏感度 ( a a b ) 2 k c ：= o 卜= ( 1 - 8 ) 2 + 2 2 式中，蜓为光纤光栅的应变敏感，以为光纤光栅的谐振波长的变化量， 只为光纤光栅的有效弹光系数，t 为应力的张量。光纤的纤芯成分是纯石英的 情况：，z 。萨1 4 5 6 ，p l l = 0 1 2 1 ，p 1 2 = o 2 7 0 ，v = 0 1 7 ，可以得到只值约为0 2 2 。当 光纤b r a g g 光栅的敏感波段为1 5 5 0 n m 的光纤时，由上述数据可以算出：1 个微 应变就引起反射的中心波长约1 2 0 5 p m 的变化；而且可知得知光纤b r a g g 光栅 1 4 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 的应力灵敏度为琏= o 7 8 ，二阶应力灵敏度为：露= o 7 0 。在光纤b r a g g 光栅所 允许施加的张力达到1 应力时，如果忽略光栅的二阶应力灵敏度所引起的误差 ( 在一般情况下，不超过0 5 ) ，此时光纤b r a g g 光栅的反射的波长漂移量与 所受的应力有较好的线性关系。在实际应用中，也是可以忽略二阶应力灵敏度 的影响。 同样的道理，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，不同的光纤b r a g g 光栅的传感灵敏度会有差异，因此不同的光纤b r a g g 光栅必须经过标定才能用作实际测量。 2 3 光纤b r a g g 光栅传感器交叉敏感的研究 光纤b r a g g 光栅的反射光的中心波长量为以= 2 n ，矿a 。可见，光纤光栅的 谐振波长取决于光栅周期人和有效折射率玩拜，所以任何能够使这两个物理量发 生改变的外界影响都将引起光纤b r a g g 光栅反射光中心波长的偏移；而实际应 用中，能够引起这两个物理量发生改变的最直接和常见的因素就是温度和应变。 因为无论是对光栅进行拉伸还是挤压，都将导致光栅周期a 的改变，并且光栅 本身所具有的弹光效应也是的光纤的纤芯和包层的折射率发生改变，从而是光 纤的纤芯模的有效折射率玩发生相应的改变 1 8 ，19 1 。因此，单纯的应变将引起光 栅谐振波长的偏移。此外温度的变化也会引起写真波长的偏移。因为材料的热 胀冷缩，温度的改变会引起光栅周期的改变，同时由于热光效应，光纤的纤芯 和包层的折射率也会改变，这将引起纤芯模的有效折射率的改变。温度是任何 情况下都无法避免的因素，而且在实际应用中，温度的变化也是无法避免，所 以，无论用b r a g g 光栅进行单纯的应变传感还是温度传感，温度和应变常常是 需要同时考虑的因素。 在实际环境中，可能温度和应变同时存在，此时，传感器对温度和应变都 是敏感的。所以当光纤b r a g g 光栅传感器实际用于测量时，可能不能分辨出温 度和应变分别引起的波长漂移量；由此，在实际环境中用于测量应力时必须采 取相应的温度补偿措施。由于温度和应变都可以引起光纤b r a g g 光栅反射的中 心波长的漂移，单纯检测光纤b r a g g 光栅的波长的变化不能得知温度和应变的 变化关心；这种复杂情况也导致解决温度和应变交叉敏感问题成为了一个伴随 光纤b r a g g 光栅传感技术发展的研究热点【2 。 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 根据现有的研究结果，解决温度和应变交叉敏感的方法主要有两种：进行 温度补偿或者进行双参数( 温度和应变) 测量。其中，温度补偿技术是采取某 种方法抵消环境场温度变化引起的光纤b r a g g 光栅反射光中心波长的漂移。双 参数( 温度和应变) 同时测量是利用两个参数共同对温度和应变进行编码，通 过解联立方程组来分别确定温度和应变各自引起的变化。双参数同时测量的方 法是：在线芯的相同位置重叠写入两种性质的栅格( 这栅格的中心反射波长相 差很大) 。因为这两种性质的栅格反射的波长相差很大，可以表现出不同的温度 和应变的响应特性，所以只要通过测定这两种波长的漂移就可以实现温度和应 变分别检测。温度和应变的双参数测量的方法，可以采用差动式测量。这种测 量方法的优势是可以将温度作为共模噪声去除，而且还能够改善传感器的线性 度、回程误差、重复性、零点漂移、灵敏度等性能，但是该测量方法的技术复 杂，现实应用中还有可产生误差放大的可能【2 。 当温度和应变同时存在时，人= 人( s ，t ) ，= n , e ( s ，t ，矗) 假设光纤的热膨 胀系数及热光系数均与应变无关，反过来弹光系数也和温度无关，则利用前面 的方法可以得到 五= 凡【 + 孝) 丁+ ( 1 + 善) 丛 一九( 畅，7 r + ，s a s ) ( 2 1 8 ) 光纤b r a g g 光栅用来测量温度时，可以使光栅部分悬空置放，这样就不用 考虑光纤的轴向应变，所以也不存在之前讨论的交叉敏感问题。但是，光纤b r a g g 光栅用来测量应变时，就不能忽略温度对应变的影响，所以需要解决测力时的 交叉敏感问题。现在阐述前面提到的常用方法，求解双光栅参数方程组2 2 1 。 同时写入的两个光栅的波长相对漂移分别为【2 3 1 竿= l ，7 1 丁+ 惦1 。s 丛 1 ( 2 9 ) 竿= 2 ，r 丁+ 如2 ，s a s 如 ( 2 2 0 ) 其中，k 占, t - - 去筹，k b , s 土a 塑d s 为相对灵敏度 矩阵形式即为 1 6 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 见 见 厶 撬- k b l , t ，黜怎l 如z ，z ，i l 船j ( 2 2 1 ) 但这要求臣列地也就是等篆。 也就是说这两个光栅的特性要求不同，还也需要注意，两个光栅同时写入 一根光纤上时，它们的敏感度是相同的；而且在用一个环境场中工作时，温度 和应变也是一样的。所以用区分周期的方法写入两种光栅的方法不能达到区分 交叉敏感的目的。 但是可以使用以下方法解决： 将两个不同周期的光栅距离较近地写在同一根光纤上，使用时，用其中一 个光栅进行测量，另一个光栅处于自由伸展状态。这样可以认为两个光栅同处 于一个温度环境中，而使k 。，。= 0 ，带入公式得【2 4 j 矗 以 允 允 = 臣k b 0s 心 z ，丁f l 丛j ( 2 2 2 ) 由上式可以用测量到的两个波长漂移经过计算得到应变大小。 将两个不同谐振波长的光栅分别贴在测量件的两侧。当有应变发生时，两 个光栅分别受拉压应变，而温度条件也是一样，测得的应变大小相等方向相反。 这两种方法都是利用在特殊结构上的，主要思路都是想办法破坏应力应变 敏感的平衡性。但是精度和灵敏度方面需要较高的要求，而且要求两个中心波 长偏差大，这就使解调成本上升了一倍。 温度补偿的思路就是温度去敏，效果上体现出的就是对温度的敏感度降低 甚至不敏感。原理是利用特殊的封装方式排除温度扰动引发的中心波长的漂移， 达到应力测量时不受到环境温度变化的影响。主要有特殊结构发、聚合物封装 法等 2 5 , 2 6 1 。另外还可以使用特殊材料进行温度补偿的方法，实际操作上利用特 殊材料的热缩效应来补偿光栅载体材料的热胀效果1 2 7 l 。 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 2 4 光纤b r a g g 光栅增敏技术 光纤b r a g g 光栅本身对外界的应力敏感度并不高，必须通过适当的方式进 行应力增敏。影响光纤光敏性的因素有：掺杂种类与掺杂浓度、预制棒( 缩棒 后光敏性高于缩棒前) 、拉纤速度、光纤曝光时所施加的应力【2 8 】。要实现光纤 b r a g g 光栅的增敏目的，可以从两方面着手：一是光纤的光敏性、二是利用封 装进行增敏。 2 4 1 光纤b r a g g 光栅的光敏性增敏 光纤光栅的光敏性是指光纤的折射率能够在某些波长的光的照射下发生永 久性变化的现象。以石英为材料的光纤进行分析：二氧化硅分子的结构为四面 体结构，每个硅原子与四个氧原子通过共价键相连。很多掺杂光纤用的材料为 锗，虽然锗原子比硅原子多一层电子层外层和硅原子一样有四个电子，在性质 上表现地和硅原子也比较相似，同时可以代替硅原子存在于硅原子的四面体结 构中。但是锗原子的掺入仍将对光纤材料的分子结构产生干扰并不可避免的形 成缺陷中心。由于纯石英的光纤对光的吸收带位于1 6 0 n m 附近，对波长在1 9 0 n m 以上直到4 7 0 n m 的光具有大于9 0 的透过率的属性。而且这些被透射的光不会 对光纤材料的性质产生任何影响，由此可知，光纤的光敏性与掺杂有关【2 9 30 | 。 增加光纤材料的光敏性可以提高光栅的写入效率，而且还能改善光栅的性 能。增敏的方式有很多，载氢技术和掺杂技术较为常见，因为这两种技术不仅 能提高光纤的光敏性，而且对光纤的损耗性能等影响较小。 载氢技术作为一种光纤增敏技术是1 9 9 3 年提出的，其优点是成本低、制备 简单，并且能大幅度提高光纤光敏性【3 。由于写入后光栅中残存的氢分子的扩 散运动以及反应后存在不稳定的化学键，会造成光栅光学特性的不稳定，因此 为便于应用必须用高温退火的方法提高光纤光栅的稳定性 3 2 , 3 3 】。由于存在游离 的氢气，光纤在1 2 4 5 n m 处存在着一个比较明显的吸收峰1 3 引。 掺杂技术，在掺锗石英光纤中掺杂其它元素也可提高光纤材料的光敏性能。 掺锗石英光纤通过掺杂硼可使光致折射率提高到4 倍。由于硼的掺杂会导致折 射率下降，因此可以在纤芯中提高掺锗量来补偿因掺硼而导致的折射率下降， 这样有利于同普通单模光纤的匹配。另外在非掺锗石英光纤中掺杂氮、磷、铒、 钇等元素也可提高光纤材料的光敏。 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 其他方法还有火焰轻擦技术，这也是一种提高锗硅光纤光敏性的有效方法。 它的原理与载氢技术类似，也是通过一定的环境使得氢气分子渗透到光纤芯层 中。火焰轻擦技术已经被用来增加标准通信光纤的光敏性，处理后的光纤光致 折变量可以达到1 0 3 量级。但该法有缺点i 高温灼烧使光纤强度变脆，器件的 长期稳定性不理想，因此实际应用受到限制3 5 l 。 2 4 2 封装增敏技术 前面提到的是从材料方面着手，提高光纤成栅时的敏感度，有利于提高光 栅反射光波的品质。然而光纤b r a g g 光栅传感器在使用时，不仅要考虑光纤的 温度与应力交叉敏感的问题，同时还要注意光纤光栅的敏感度。通常，裸露的 光纤b r a g g 光栅用于测应力时，它的灵敏度不是很理想。中心波长是1 5 5 0 n m 的时，光纤光栅的响应灵敏只有0 0 0 3 n m m p a 【3 6 】。此外，光纤b r a g g 光栅用于 测量应力时，它的分辨率也不高。对于光栅的这种低灵敏、低分辨率的情况， 在应用中必须采取封装等相应的方法达到增敏效果。 封装的目的是提高光栅的灵敏度，同时也起到保护光纤的作用。为了达到 增敏的目的，常常使用的是弹性材料，譬如采用有机弹性体、波纹管等进行封 装1 3 7 j 。选用弹性材料作为基底材料，将光栅粘着在上，并且利用拉压杆、支撑 梁等形态或者变形组合，便可设计出符合实际测量需要的传感器【3 引。 一种基于波纹管的拉压式的增敏模型【39 l 。其增敏机理： 吣半 ( 2 2 3 ) 模型如下图所示 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 图2 2 波纹管的拉压式的增敏模型 在同样的外力下，为了获得更大应变，只能通过改变材料特性来实现。通 常是采用低弹性模量的材料作为传感器的外壳或基体。上述模型中，采用金属 材料制成空心柱状，将光纤嵌入到中心孔中。这种复合体的弹性模量就会小于 原来光纤的弹性模量。以参考文献中的数据为例，光纤的半径为0 0 6 2 5 m m 基 体材料的半径为5 m m ，截面积比为o 0 1 5 6 。从而可以使组合体的弹性模量在 数量级上可以小3 到4 个数量级。这种情况下，施加相同的拉压力可以获得3 到4 个数量级提升的应变。测得的中心波长漂移也大大增加，提高了分辨率。 国外也有使用聚合物填充作为基底材料的光纤b r a g g 光栅传感器实验，虽然形 变放大，但是随之而来的还有蠕变和迟滞效应【4 。同时也提到通过嵌入钢筋网 的方法，来减少这些影响。 设计这种传感器的时候，必须考虑极限应变。弹性模量和截面积要同时注 意，片面追求高分辨率要以光纤可用范围内不断裂为前提。 2 5 温度补偿方案和增敏方案 在实际环境中，可能温度和应变同时存在，此时，传感器对温度和应变都 是敏感的。所以当光纤b r a g g 光栅传感器实际用于测量时，可能不能分辨出温 度和应变分别引起的波长漂移量；由此，在实际环境中用于测量应力时必须采 取相应的温度补偿措施。由于温度和应变都可以引起光纤b r a g g 光栅反射的中 心波长的漂移，单纯检测光纤b r a g g 光栅的波长的变化不能得知温度和应变的 2 0 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 变化关心；这种复杂情况也使得温度和应变交叉敏感问题成为了一个伴随光纤 b r a g g 光栅传感技术发展的研究热点。 为了使光纤b r a g g 光栅传感器更具可用性，设计的时候必须采取相当的温 度补偿措施和增敏措施，以提高传感器的精准度和灵敏度。 有研究人员已经设计并制作了一种新型的具有温度补偿和应变增敏效果的 光纤b r a g g 光栅应变传感器j 。如图2 3 所示 图2 3 利用负膨胀材料实现温度自动补偿 此结构由一段负膨胀材料和两个铬钢管组成。由于温度和应变均可造成光 纤b r a g g 光栅的中心波长漂移，利用负膨胀材料的特殊性质抵消温度产生的应 变相，从而达到温度补偿的目的。 由于这种方法需要特殊材料，在实际应用推广时可能会遇到困难。现提出 一种新的温度补偿方案，灵感来自利用负膨胀材料来做温度补偿的方法。新方 法采用三种不同材料，目的为了抵消f b g 所在基体材料产生的温度应变。由于 f b g 的基体材料和承载材料并行承受拉压应力，只要知道各个的截面积与材料 属性便能知道两者承受的应变比例，从而可以计算出整体受外界的拉压力。正 因为这种比例受力的关系f b g 可以受较小的力，却能测量较大的载荷，适用于 大载荷环境。结构如图2 4 图2 4 新型温度补偿结构 新型温度补偿结构采用采用材料：材料1 采用低膨胀系数的材料，目的是 保持整体结构的稳定；材料2 需要高膨胀系数材料，为了产生较大的形变阻挡 2 1 第2 章光纤b r a g g 光栅应力传感特性 f b g 材料的膨胀；f b g 载体则选用弹性模量低的材料，一方面是为了应力增敏， 另外考虑产生较小的热膨胀应力，能够藉由材料2 的作用下实现温度补偿。 为了使计算方便，假设材料1 在工作环境的温度变动下不发生膨胀。这样， 考虑温度补偿需要满足的条件：材料2 由于热膨胀施加在材料0 上的力产生的 效果和材料0 受热产生膨胀的效果相抵消。 光栅写进光纤在后，光纤的强度会降低，而且灵敏度也很低。数据显示中 心波长为1 5 5 0 n m 的光纤光栅未经封装保护进行测量时，它的压强响应灵敏度 为0 0 0 3 n m m p a 。若要实现0 1 或0 1 m p a 的测量，解调系统的波长分辨率必 须小于l p m 。