基于參考光柵的光纖光柵應變測量溫度補償

胡遼林， 張衛超

(西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048)

0 引 言

光纖光柵(FBG)傳感器能夠進行溫度、應變或其他諸多參量的測量，已經在一些大型建筑結構，如橋梁、鐵路、高樓中得到廣泛應用[1-8]。光纖光柵傳感器是通過布拉格中心波長的漂移感知被測量的。實際測量時，溫度和應變是同時存在的，是兩個直接導致布拉格中心波長產生漂移的物理量。當光柵用于測量時，無法分辨出應變和溫度各自引起的波長變化。因此，在實際應用中必須采取措施進行補償或區分。國內外對光纖光柵應變測量的溫度補償進行了大量的研究，主要基于兩種思想：測量過程補償和測量結果補償。測量過程補償是指通過對傳感單元進行特殊設計與布置，使其對溫度不敏感從而達到測量應變的目的，如將光柵封裝在負溫度系數的材料上，抵消光柵的正溫度系數[9]或通過特殊構造設計對溫度不敏感的傳感器[10]；而測量結果補償是指在測量后經過某種運算和處理對溫度效應進行剝離，如參考光纖光柵法[11-15]。基于測量過程補償的光纖光柵傳感器制作工藝復雜，本文使用基于參考光纖光柵的結果補償方法，結構簡單，實驗表明，使用該方法測量應變能有效地去除溫度帶來的影響。

1 基于參考光柵的溫度補償原理

根據耦合模理論，當光在光纖光柵中傳輸時將產生模式耦合，滿足布拉格條件的光被反射，

λΒ=2neffΛ

(1)

式中：Λ為光柵周期；neff為導模的有效折射率；Λ和neff變化都會使布拉格波長λΒ產生“波長漂移”。而作用在光柵上的應變和溫度是兩個能夠直接引起λΒ漂移的物理量。在溫度和應變同時作用下的布拉格波長漂移為

ΔλΒ/λΒ=Kεεz+KTΔT

(2)

式中：ΔλB為光柵布拉格(中心)波長變化量；Kε為光纖光柵的應變靈敏度系數；KT為光纖光柵的相對溫度靈敏度系數。

設計應變傳感器時，由于光纖光柵的交叉敏感特性，溫度變化會引起傳感器產生誤差，所以要采用溫度補償措施來減少或消除溫度影響。

參考光柵法就是在應變測量的光柵旁放置另一只光柵，測量光柵與參考光柵串聯起來，參考光柵處于自由狀態且與被測結構處于相同的溫度場中，只感受溫度的變化，不受應變的影響，通過數據處理就可以分離出溫度的影響。

設測量光柵的中心波長為λB1，同時受應變和溫度的影響，由下式得：

ΔλΒ1/λΒ1=Kεεz+KTΔT

(3)

用于溫度補償的參考光柵的中心波長為λB2，它只受溫度影響，

ΔλΒ2/λΒ2=KTΔT

(4)

由式(3)和(4)得到應變：

εz=(ΔλΒ1/λΒ1-ΔλΒ2/λΒ2)/Kε

(5)

這就是基于參考光柵的光纖光柵應變測量的溫度補償原理。

2 實驗與結果分析

首先用水浴加熱法測試裸光纖光柵的溫度特性。傳感與參考光柵的相對溫度特性測量裝置如圖1所示。寬帶光源(ASE)發出的光經3 dB耦合器入射到光纖光柵，反射回來的光再經3 dB耦合器送至光譜分析儀，測量反射光的中心波長變化。測量過程中，以20 ℃為溫度起點開始測量，均勻加熱使水溫上升，使用精度為0.1 ℃的溫度計每隔5 ℃記錄一次光纖光柵反射譜的中心波長，水溫的變化范圍為20～85 ℃。一次升溫后，再以85 ℃作為溫度起點，每降5 ℃記錄一次數據，循環測量多次，整理數據。

溫度/℃2325303540455055606570758085測量光柵FBG1中心波長/nm1549．2601549．3081549．3541549．4141549．4571549．5081549．5601549．6121549．6621549．7181549．7621549．8241549．8921549．951FBG1波長變化量/nm00．0480．0940．1540．1990．2500．3020．3540．4040．4600．5040．5660．6340．693參考光柵FBG2中心波長/nm1550．5421550．5911550．6421550．6991550．7461550．8011550．8501550．9011550．9541551．0081551．0561551．1151551．1821551．239FBG2波長變化量/nm00．0490．1000．1570．2040．2590．3080．3590．4120．4560．5040．5630．6300．687波長變化量差/nm0-0．001-0．006-0．003-0．005-0．009-0．006-0．005-0．0080．00400．0030．004-0．005

隨著溫度的變化，兩個光纖光柵的中心波長變化以及兩個光纖光柵波長變化差如表1所示。經處理后可得單個光纖光柵的溫度靈敏度為～10.5pm/℃，在20～85 ℃范圍內由溫度導致的兩個光纖光柵的波長變化差平均每5 ℃為～2.8 pm，即兩個光纖光柵的相對波長漂移量對溫度的靈敏度為0.56 pm/℃，遠小于單個光纖光柵的溫度靈敏度。這說明兩個FBG間的波長相對漂移對溫度的靈敏度(0.56 pm/℃)僅為單個FBG的溫度靈敏度(～10.5 pm/℃)的5.6%，當用其中一個FBG作應變測量時，可以用另一個FBG作溫度補償。

為了進一步說明此方法能夠有效地進行溫度補償，采用圖2所示參考光柵溫度補償裝置測量應變。應變測量光柵采用502膠(502膠黏貼基本可以達到剛性黏接)黏貼在等強度懸臂梁的中軸線中心位置，同時遭受溫度和應變的影響；參考光柵也放置在同一位置，處于自由狀態，只受溫度影響。

在懸臂梁自由端加不同的砝碼，每添加1 kg砝碼記錄一次數據。將測得的數據繪制成圖，得到測量光柵與參考光柵反射譜中心波長的變化關系見圖3。

圖3 測量光柵與參考光柵反射波長的變化

由于實驗室空調開放，溫度相對恒定，為了明顯地看到溫度帶來的影響，采用人為加入溫度干擾。由圖3可看出，應變測量光柵和參考光柵隨溫度變化的趨勢基本相同。在測量光柵數據上剔除參考光柵中溫度變化引起的波長漂移后，得到圖4?？梢姡コ郎囟扔绊懞螃う薆與所加質量m，即應變呈現線性關系，其擬合方程為ΔλB=46m+3.7，擬合優度R2=0.998。

圖4 去除溫度影響后線性擬合結果

3 結 語

設計了一種具有溫度補償的光纖光柵應變傳感方案，使用一個與測量光柵的各參數相同的光纖光柵作為溫度補償。實驗表明，補償后基本上消除由于溫度漂移引起的測量誤差，測量結果的線性擬合度0.998，達到了很好的溫度補償效果。采用此方法進行溫度補償，結構簡單，成本低，只要精心挑選兩只結構和參數完全相同的光纖光柵，就可得到很高的精度。

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