基于光纤传感的温度和应变同时测量技术研究

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1、556以科学发展观促进科技创新(中)步带来新的动力与活力。参考文献1贾伯年，俞朴侍感器技术南京：东南大学出版社，19982强锡富主编传感器．北京：机械工业出版社，1998年第2版3揶纳工程国际有限公司上海代表处．BANNER传感器应用举例．中国工控网，2003，(5)4广州奥普士光电有限公司．IRI10叭在重庆机场检测“非典”中的应用．中国工控网，2003，(5)5樊尚春传感器技术新发展．世界电子元嚣件，2003．(1)6朱伟，韩服善光电传感器在自动化生产线上的应用电子工程师，2004，(8)作者简介迟宗

2、涛青岛大学电子学系系主任、教授。美国西南密苏里大学访问学者，国家自然基金委评议专家，国家科技部国际科技合作重点项目计划评议专家，2002年起与中国工程院院士张钟华研究员合作完成国家自然科学基金项目一项。办公电话：0532--85951050；手机：13335028577；E—mail：zoc545s@sohu．COn2。基于光纤传感的温度和应变同时测量技术研究孙宝臣杨丽萍杜彦良张文涛戴静云石家庄铁道学院大型结构研究所，河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室，石家庄，050043摘要本文介绍了一种基于光纤传

3、感的温度和应变同时测量的新技术。该传感器由光纤Bragg光栅(FBG)和非本征型法布里珀罗干涉仪(EFPI)构成，其中FBG用于检测应变，EFPI用于温度潮量。传感器在20～70'12范围内，温度刹量精度可达±0l℃，应变；璺{试范围为±1000tte，应变测量精度为±2．5“￡。关键词传感器技术光纤传感应变温度引言近年来，随着光纤光栅制备工艺日趋成熟，FBG传感检测技术得以迅速发展+在复合材料和混凝土结构、电力工业、医药和化学传感中都有应用，尤其是在大型民用工程建筑(大桥、大坝、高层建筑物)的压力、温度

4、、应力、应变等状态参量的健康监测中引起了广泛的关注。这主要是因为它不仅继承了光纤传感器尺寸小、重量轻、不受电磁干扰等诸多优点，而且还具有对波长直接绝对编码，不受光路中功率波动的影响，测量精度高；易于波分复用，组成分布式测量网络等优点。但是，由于光栅Bragg波长对应变和温度都是敏感的，从单个Bragg波长的变化量中难以辨出应变匍温度各自的变化量，进而无法实现精确的测量，即光纤光栅传感器存在着应变、温度交叉敏感问题。十几年来，为了解决这一难题，世界各国学者提出了许多基于光纤光栅的应变和温度同时测量的解决方案

5、。本文从光纤光栅传感原理出发，分析了光纤光栅交叉敏感机理，提出了一种简单新颖的FBG／EFPI第48分会场学术沙龙——以科学发展观推动科技的创新557传感测试方案．并对此进行了试验研究．以期为该种传感器的实际应用奠定基础。一、FBG／EFPI传感原理分析由耦合模理论可知，光纤光栅的Bragg中心波长为：^。=2”，A(1)式中n，是有效折射率；A是光栅周期。由式(1)可知，光纤光栅的Bragg波长随w。和A而改变。当外界的温度、应变等参量发生变化时。Bragg波长的位移可表示为：A,IB=2AAh。+2"

6、。△A(2)应变对中心波长A。的影响是由弹光效应和FBG周期的改变引起的．而温度对^。的影响则是由于热光效应和热膨胀效应的缘故。由于应变(应力)和温度的变化都将导致‰和A发生改变，所以FBG对于应变和温度都是敏感的。因此，光纤光栅(FBG)作为一种新型的智能传感元件，虽具有绝对测量、易于多点复用、与普通的光纤系统完全兼容等诸多优点，但其应变、温度交叉敏感问题一直是制约光纤光栅进一步发展的难题。另一方面，在许多实际的应用场合，同时获取应变和温度信息是非常重要的。因此，本文提出将非本征型法布里珀罗干涉仪(EF

7、PI)和光纤光栅结合起来，实现温度和应变同时测量。非本征型法布里珀罗干涉仪传感器是目前应用最为广泛的光纤传感器之一。它是在光纤中人为制造出两个反射面形成一个反射腔，成为光纤法珀腔。与其他类型的光纤传感器相比，其优点在于高测量精度、高灵敏度和简单的单根单端结构。光束通过光纤人射到腔内时，会在两个端面分别反射形成多光束干涉；当两反射面的反射率很小时，近似为双光束干涉。若入射光强为b，波长为^，腔长为t，光纤的等效折射率为”，则输出的反射光强k可表示为：k=210R(1—120s(竿"t))(3)由上式可知，非

8、本征型法布里珀罗干涉仪的光谱为余弦分布，在其干涉光谱中任取余弦分布的两个峰值点渡长A，、^：，并由此可计算出t为m^t^，”盯赢‘4)式中，m为^。到A：间的干涉条纹数。非本征型法布里珀罗干涉仪(EFPI)本身对温度不太敏感，但是将其封装到不锈钢外壳上后，当外界温度变化△了1时，传感器腔长变化量df为dt=AT·口。·口一△丁·口r一(。一z)≈口△T(n，一口r)(5)其中，n为传感器标距，a，=0．5×10“为光纤的热膨胀