光纤光栅轴向应力传感模型的研究

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1、万方数据第20卷第2期湖南理工学院学报(自然科学版)V01．20No．21111篁!星!!!望!!!!坚：!彗!!塑!!堡!!!!堡!些竺!!!：!!!!!些l型型望!!!!!!!!窒!!!：!竺!光纤光栅轴向应力传感模型的研究彭仕玉(湖南理工学院物理与电子信息系，湖南岳阳414006)摘要：对光纤光栅的应力传感特性进行了理论分析，提出了光纤光栅轴向应力传感的数学模型，得出了其应力灵敏度系数的理论值，并对轴向应力作用下光纤光栅的传感特性进行了实验研究，对比分析了理论与实验结果，讨论了光纤的力学参数对光纤光栅应力传感特性的影响。关键词：光纤光栅；光纤传感器；应力传感中图

2、分类号：TN929．11文献标识码：A文章编号：1672·5298(2007)02—0035-03StudyonFiberBraggGratingstresssensingPENGShi—yu(Dept．ofPhysicsandElectronicInformation，HunanInstituteofScienceandTechnology,Yueyang414006，China)Abstract：ThestresssensingcharacteristicofFiberBraggGrming(FBG)isanalyzedtheoretically．Themathe

3、maticalmodelofFiberBraggGratingstresssensingisdeducedandthestresssensitivitycoefficientisobtained．Furthermore，thesensingcharacteristicofFBGwithaxialstressisstudiedbyexperiments．Theresultsoftheoryandexperimentsarecomparedandtheinfluenceofopticfibermechanicalparameteronstresssensingcharac

4、terofFBGisalsodiscussed．Keywords：FBG；opticfibersensing；stresssensing引言近年来，光纤光栅在光纤通信及光纤传感领域中的应用得到了很大的发展‘1】[21。作为传感元件，光纤光栅传感器具有灵敏度高、测量范围广、抗电磁干扰能力强、结构简单、体积小等优点。而且光纤光栅是波长编码型传感器，与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比，具有自身独特的优点，与光源强度、光源起伏、光纤弯曲损耗、光纤连接损耗、光波偏振态无关，并且易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络，实现分布式多点实时在线传感

5、，广泛用于温度、应力、应变等物理量的测量【3】[4l。本文对光纤光栅的应力传感特性进行了分析，推导了其传感模型，并对轴向应力作用下光纤光栅的传感特性进行了实验研究，对理论与实验结果进行了对比分析，得出了满意的结果，此结果对光纤光栅应力传感器的理论分析和应用研究具有一定的指导意义。1基本原理由耦合模理论，光纤布拉格光栅将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，布拉格光栅的光栅方程为【5】：乃=2％A(1)其中如为光纤光栅的布拉格反射波长，neff为导模的有效折射率，么为光栅周期。光纤光栅的布喇格波长取决于光栅周期彳和反向耦合模的有效折射率疗毋，

6、任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布喇格波长的变化(该变化的大小通常称为布喇格波长的漂移)。当光栅上应力发生变化时，会引起光栅收稿日期：2007—02一Ol基金项目：湖南省教育厅科研项目基金资助(02C514)。作者简介：彭仕T,(1971一)，女．湖南岳阳人，副教授，硕士，主要研究方向：光纤通信与光纤传感。万方数据湖南理工学院学报(自然科学版)第20卷周期的变化和折射率的变化(称弹光效应)，从而使光栅的布喇格波长发生变化，产生布喇格波长的漂移，通过检测光栅波长漂移的大小，就可以获得相应的应力信息，这就是光纤光栅应力传感的基本原理。假定光纤光栅仅受轴向应力

7、作用时，温度场和均匀压力场保持恒定，均匀轴向应力对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩，此时各向应力可表示为昵=一P(P为外加压力)，以=∞=O，且不存在切向应力，根据虎克定删61可求得各方向应变为：巳=k6j,t0o]7(2)=【--VF．z--VEz乞00o】7：『v!v—P—P0oo]7LEj式中g产．尸忸，E和1，分别为石英光纤的弹性模量以及泊松比。在这些应变作用下，光纤光栅的波长漂移据式(1)可以表示为‘7】：△九=：A【l百an,盯址+鲁△口1+：釜址％(3)式中址代表光纤的纵向伸缩量；Aa表示由于纵向拉伸引起的光纤直径变化；。”％表示弹光效应引起