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1、悬臂梁中对布拉格光栅应变传感的温度补偿研究2oo8年2月繁2期虐子测斌ELECTR0NlcTEsTFeb20O8No.2悬臂梁中对布拉格光栅应变传感的温度补偿研究胡纪平,吕乃光(北京信息科技大学理学院北京100085)摘要:本文首先分析了光纤布拉格光栅传感的基本原理和布拉格光栅波长变化与环境温度和应变的相关方程,然后基于等强度悬臂梁设计了一个简单有效的消除温度影响的应变测量方法.最后,在温度范围为0～6o℃之间进行了应变的测试,实验结果表明测量误差为8.32￡.关键词:光纤布拉格光栅;温度补偿;等强度悬臂梁中图分类号:TP212.14文献标识码:ARes
2、earchontemperaturecompensationoffiberBragggratingstrainsensingbasedoncantileverHuJiping,LvNaiguang(SchoolofScience,Be~jingInformationScience&TechnologyUniversity,Beijing100085,China)Abstract:Inthispaper,firstlythefundamentalprincipleoffiberBragggratingsensingandthecorre—latio
3、nequationbetweenwavelengthchangeofthesensor,environmentaltemperatureandstrainchangeayeanalyzed.Thenasimpleandeffectivetechniqueformeasuringstrainbyseparatingtemperatureeffectusingtheequi—intensitycantileverisdesigned.Finally.strainistestedintherangeof0～60℃andtheexperimentresultsi
4、ndicatethatmeasurementerroris8.32￡.Keywords:fiberBragggrating;temperaturecompensation;theEqui—intensitycantilever0引言光纤布拉格光栅自从20世纪70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抗电磁干扰,绝缘性好,耐腐蚀性高,灵敏度高以及稳定性良好,所以它显示了在光纤通讯和光纤传感上的巨大的潜力.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屯蚤基!基ELECTRONICTEST现的
5、,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;设计与研发20082(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.但是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,从而为光纤布
6、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.1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.从麦克斯韦经典方程出发,结合光纤耦合模理论…,得到布拉格方程的基本表达式:A=2n(1)式中:A为窄带反射的峰值波长;//'eft为纤芯的有效折射率;/l为光栅周期.利用式(1)可以推出光纤布拉格光栅的中心反射波长随外界温度和应变的变化关系式为::f+1△+(1一P)(2)^B,,eff,式中:A为窄带反射的峰值波长;//'eft为纤芯
7、的有效折射率;/l为光栅周期.是轴向应变变化量;AT为温度的变化量;o/和分别是光纤的热膨胀系数和热光常数;P是光纤有效弹光系数.从式(2)中可以看出应变和温度是直接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.因为应变和温度都能够使布拉格光栅的反射波长变化,当光纤
8、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
