光纤布拉格光栅压力传感器标定中的不确定度研究.pdf

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1、第３期程书辉等．光纤布拉格光栅压力传感器标定中的不确定度研究２３３光纤布拉格光栅压力传感器标定中的不确定度研究程书辉吴晟李川谢涛胡练华赵振刚张长胜（昆明理工大学信息工程与自动化学院）摘要研制了一种量程为１０ｋＮ的光纤布拉格光栅压力传感器标定装置，可实现光纤布拉格光栅压力传感器的标定和静态测试。对光纤光栅解调仪获得的中心波长和标准测力仪的压力值进行最小二乘拟合，求出静态标定系数，并分析了标定装置的不确定度来源以合成不确定度。试验结果表明：光纤布拉-５格光栅压力传感器的响应灵敏度为９．７７×１０ｎｍ

2、／Ｎ，线性度２．７９％ＦＳ，经二阶拟合后重复性误差２．６１％ＦＳ，标定装置的Ａ类不确定度５．７３Ｎ。关键词压力传感器标定不确定度Ｂｒａｇｇ波长中图分类号ＴＨ８１２文献标识码Ａ文章编号１０００-３９３２（２０１７）０３-０２３３-０４光纤传感器具有灵敏度高、实时性好、抗电磁栅解调仪的中心波长和标准测力仪产生的压力值干扰及防燃防爆等优点，因而被大量应用于实际进行最小二乘拟合，求出传感器静态标定系数，并［１～３］工程中。但是对于每一款新研发的光纤布拉分析该装置的不确定度分量以合成不确定度和传格光栅（Ｆ

3、ｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）压力传感器，在感器的静态标定系数，极大地提高了标定精度。使用之前必须进行标定研究。针对这个问题，杨１ＦＢＧ压力传感器的工作原理淑连设计了一种工作波长为８００ｍｍ的光纤压力如图１所示，ＦＢＧ压力传感器主要由平膜片、传感器，并用温度和双折射进行补偿，在不同温度传力杆、等强度梁和双光纤光栅组成。平膜片受和压力条件下其相对误差小于１．５％，在０～到一个纵向的压力时，平膜片通过连接在平膜片［４］４０ＭＰａ的压力范围内标准偏差在１．０％以内；和等强度梁间的传力杆将压

4、力传递给等强度梁，兰春光等开发设计了一种满足工程应用需求的液等强度梁右边受到传力杆传来的应力而引发形体压力传感装置，并通过大量标定试验分析了该变，导致粘贴在等强度梁上下侧的光纤光栅发生装置的传感特性，结果表明在测量范围为０．０～改变。２．５ＭＰａ时其分辨率小于０．４％ＦＳ，迟滞小于２．４％ＦＳ，重复性小于２．３％ＦＳ，线性度小于２．１％ＦＳ，总精度小于４％ＦＳ，传感器具有温度补［５］偿、线性度和重复性好及精度要求高等优点；陈富云等研制了一种双模式光纤Ｂｒａｇｇ光栅土压力传感器，荷载试验结果表明，

5、传感器的灵敏度为４１２．７ｐｍ／ＭＰａ，非线性误差为１．９７％ＦＳ，重复性［６］误差为３．６８％ＦＳ。笔者设计了一种量程为１０ｋＮ的ＦＢＧ压力传感器标定装置对传感器进行校准试验，对光纤光图１ＦＢＧ压力传感器结构示意图基金项目：云南省应用基础研究计划项目（２０１３ＦＺ０２１）；昆明理工大学人才培养基金项目（ＫＫＳＹ２０１３０３０４４）。作者简介：程书辉（１９８８-），硕士研究生，从事智能信息处理研究。联系人：李川（１９７１-），教授，从事传感器的研制与检测应用研究，１６２５６７７２５２＠ｑｑ．ｃｏ

6、ｍ。２３４化工自动化及仪表第４４卷［７～９］对于布拉格光纤光栅，根据耦合模理论，３ＦＢＧ压力传感器标定过程不确定度分析其中心反射波长λ为：当环境温度从２６．４～２６．８℃变化时，记录标ＢλＢ＝２ｎΛ准测力仪施加给ＦＢＧ压力传感器的压力值和上式中ｎ———ＦＢＧ的有效折射率；位机中显示在光栅解调仪中的中心波长，并画出Λ———光栅周期。在试验过程中正行程和反行程的压力和波长值的λＢ随ｎ和Λ的变化而变化，ｎ和Λ又受到应离散图（图３），各离散点误差棒如图４所示。变、温度等因素的影响，所以可以通过Λ的变化求

7、得应变、温度等因素的变化，这就是光纤光栅的传感原理。当光纤布拉格光栅受到外力作用时，由于弹光效应和光栅周期引起光纤布拉格光栅反射波中心波长λ的偏移Δλ为：ＢＢΔλＢ＝２ΔｎｅｆｆΛ+２ｎｅｆｆΔΛ式中ΔΛ———光栅周期的增量。当只考虑应力ε的影响时，光纤光栅中心反射波长的变化ΔλＢ为：ａ．正行程ΔλＢ＝Ｋεε＝（１-Ｐｅ）ελＢ２ｎＰ＝［Ｐ-υ（Ｐ+Ｐ）］ｅ１２１１１２２式中Ｐｅ———有效弹光系数，对于硅材料Ｐｅ≈０．２２；Ｐ———弹光矩阵的泡克尔斯系数；ｉｊυ———泊松比。２ＦＢＧ压力传感器标

8、定原理ｂ．反行程处于光纤光栅解调仪中的ＡＳＥ宽带光源发图３波长离散图出的光信号通过光纤传输给安放在标准测力仪中的ＦＢＧ压力传感器。当标准测力仪给ＦＢＧ压力传感器施加一个纵向压力时，传感器中的光纤光栅发生变化，然后引起反射波长发生改变，改变波长的光信号通过光纤传输给光纤耦合器，通过耦合器将信号传给光纤光栅解调仪模块实现光信号的解调，并在上位机中记录反射后的中心波长。图２为ＦＢＧ压力传感器不确定度标定研究的结构框图。图４ＦＢＧ压力传感器标定过程中的波长误差棒图３反映出ＦＢＧ压力传感器的压力值与波长成