光纤布拉格光栅的应变／温度传感、封装、标定及补偿技术研究

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1、光纤布拉格光栅的应变／温度传感、封装、标定及补偿技术研究2010年第1期结构强度研究光纤布拉格光栅的应变/温度传感,封装,标定及补偿技术研究李野肖迎春白生宝黄博贾淑红(中航工业飞机强度研究所六室,西安)摘要:研究了光纤布拉格光栅(FBG)的应变/温度传感特性,封装和补偿综合技术及FBG应变/温度灵敏度的标定方法及标定结果并推荐了工程实用的封装方法及相应的灵敏度系数;研究了FBG应变/温度交叉敏感分离技术及空分/波分混合复用技术并研制了适用于地面验证试验的FBG温度传感器,为大型结构应变场的实时监测提供了工程实用技术.关键词:布拉格光栅;封装方式;交叉敏感;温度补偿;复用技术

2、1引言光纤布拉格光栅(FBG)是20世纪9O年代才兴起的具有广泛应用前景的基础性光学器件.它是利用掺杂光纤的光敏特性,使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用,从而导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性变化,在纤芯内形成空间相位光栅.当向光栅注入宽带光时,传输的光波就在这种折射率微扰下产生模式耦合,在光栅的人口反射出FBG波长的反射谱.FBG光栅的传感原理是通过检测在光纤内部写入的光栅反射或透射FBG波长光谱,而实现对被测结构的应变和温度的绝对值测量.FBG传感技术就是利用布拉格反射波长对温度,应力,应变,压力等物理参数的敏感特性为基础的一种新型传感技术.除了具备以往的光

3、纤传感器的优点以外,FBG还具有以下诸多优点:(1)传感信号是波长调制,对光源功率波动及微弯等因素造成的系统损耗极不敏感,使FBG传感器抗干扰能力强,并具有自参考点,测量的是绝对值,显示出优良的可靠性和稳定性,抗电磁干扰,抗腐蚀,能在恶劣的化学环境下工作;(2)传感头结构简单,体积小(标准裸光纤为125~m),重量轻,外形可变,可埋入复合材料结构中,可测量结构内部的应力,应变及结构损伤等,重复性好,特别适用于测量航空结构航空科学基金资助项目20O7ZA230O9收稿日期:2010--01--06中的应变分布;(3)可以使用多种解调技术,其中波长解调的波长范围大,可以达到8O

4、～160nm,解调精度高,可以达到lpm,动态范围可以达到25dB,扫描频率可以达到1000Hz.而光频域反射传感器(OFDR)解调的特点是在拉制光纤的同时可在一条光纤上刻写多达1000个FBG,可以实现大面积的密集测量;(4)FBG复用能力强,便于构成多路和分布式的传感器网络,可进行大面积的多点测量,并可同时测量多项参数,可以采用波分复用,空分复用,时分复用及混合复用技术;(5)随着技术进步和应用范围扩大,FBG可以实现大规模低成本地生产;(6)传输距离远,也可以实现无线传输;(7)经过特殊封装后,工作温度可达400℃一600℃.因此,FBG传感器非常适用于传感器密集使用

5、的航空工业领域,但是要达到工程应用程度,特别是在飞机金属和复合材料结构上应用,还需要解决诸如传感器封装,应变/温度交叉敏感分离,温度补偿等实用技术,本项研究主要集中于研究FBG传感的工程适用性,为在飞机结构健康监测中应用FBG奠定技术基础.2FBG光栅应变传感机理及封装技术光纤沿径向从里到外分为玻璃纤芯,涂履层,保护层三部分(如图1所示),用特殊的紫外光照结构强度研究2010年第1期射工艺,光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰而形成的一种光纤无源器件,它能将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射,满足布拉格条件的波长被光纤光栅反射.温度,应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和

6、折射率的变化,从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化,通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化,就可以获得相应的温度和应变的信息(如图2所示),这就是jG测量温度和应变的基本原理.输入信号———'?■一反射信号——静芯图1FBG的结构示意图—-传输信号光●传输谱光●反射谱-强I强I应变,温度产长长图2FBG传感原理2.1应变传感模型在引起FBG光栅波长漂移的因素中,应变是最直接的参量,无论对光栅进行拉伸或压缩,都会导致光栅周期以的变化,另外光纤本身具有的弹光效应使有效折射率,,也随外界应力状态的变化而变化,这就是使用FBG光栅作为光纤应变传感器的基本工作原理.应变

7、引起的FBG光栅的波长漂移可用公式表示:B一2n~r~A+2,5n~s~A(1)式中:△以是光纤在应力作用下的弹性变形;An~N表示光纤的弹光效应,不同的应力状态将导致△A和△,,的不同变化,光纤是各向同性的柱状结构,施加于其上的总应力可以用柱坐标表示为:,ao,以,在均匀轴向压缩作用下,一一0,只有口,则FBG所受应变为:ferr1zz百izE(2)将(1)式展开得到:-2以(?△L+?)+2~,-aL?rr(3)a1式中:△L是FBG纵向伸缩量;△a是光纤直径的变化;~neff/3L代表弹光效应;On~i/Oa