基于參考光柵的光纖光柵應(yīng)變測量溫度補償

胡遼林， 張衛(wèi)超

(西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

光纖光柵(FBG)傳感器能夠進行溫度、應(yīng)變或其他諸多參量的測量，已經(jīng)在一些大型建筑結(jié)構(gòu)，如橋梁、鐵路、高樓中得到廣泛應(yīng)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(yīng)變是同時存在的，是兩個直接導(dǎo)致布拉格中心波長產(chǎn)生漂移的物理量。當(dāng)光柵用于測量時，無法分辨出應(yīng)變和溫度各自引起的波長變化。因此，在實際應(yīng)用中必須采取措施進行補償或區(qū)分。國內(nèi)外對光纖光柵應(yīng)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(jié)果補償。測量過程補償是指通過對傳感單元進行特殊設(shè)計與布置，使其對溫度不敏感從而達到測量應(yīng)變的目的，如將光柵封裝在負(fù)溫度系數(shù)的材料上，抵消光柵的正溫度系數(shù)[9]或通過特殊構(gòu)造設(shè)計對溫度不敏感的傳感器[10]；而測量結(jié)果補償是指在測量后經(jīng)過某種運算和處理對溫度效應(yīng)進行剝離，如參考光纖光柵法[11-15]。基于測量過程補償?shù)墓饫w光柵傳感器制作工藝復(fù)雜，本文使用基于參考光纖光柵的結(jié)果補償方法，結(jié)構(gòu)簡單，實驗表明，使用該方法測量應(yīng)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(jù)耦合模理論，當(dāng)光在光纖光柵中傳輸時將產(chǎn)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(dǎo)模的有效折射率；Λ和neff變化都會使布拉格波長λΒ產(chǎn)生“波長漂移”。而作用在光柵上的應(yīng)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(yīng)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(yīng)變靈敏度系數(shù)；KT為光纖光柵的相對溫度靈敏度系數(shù)。

設(shè)計應(yīng)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(chǎn)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(yīng)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(lián)起來，參考光柵處于自由狀態(tài)且與被測結(jié)構(gòu)處于相同的溫度場中，只感受溫度的變化，不受應(yīng)變的影響，通過數(shù)據(jù)處理就可以分離出溫度的影響。

設(shè)測量光柵的中心波長為λB1，同時受應(yīng)變和溫度的影響，由下式得：

ΔλΒ1/λΒ1=Kεεz+KTΔT

(3)

用于溫度補償?shù)膮⒖脊鈻诺闹行牟ㄩL為λB2，它只受溫度影響，

ΔλΒ2/λΒ2=KTΔT

(4)

由式(3)和(4)得到應(yīng)變：

εz=(ΔλΒ1/λΒ1-ΔλΒ2/λΒ2)/Kε

(5)

這就是基于參考光柵的光纖光柵應(yīng)變測量的溫度補償原理。

2 實驗與結(jié)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(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器入射到光纖光柵，反射回來的光再經(jīng)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(shù)據(jù)，循環(huán)測量多次，整理數(shù)據(jù)。

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(jīng)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(nèi)由溫度導(dǎo)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(yuǎn)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(dāng)用其中一個FBG作應(yīng)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(yīng)變。應(yīng)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(yīng)變的影響；參考光柵也放置在同一位置，處于自由狀態(tài)，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(shù)據(jù)。將測得的數(shù)據(jù)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(guān)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(diào)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(yīng)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(shù)據(jù)上剔除參考光柵中溫度變化引起的波長漂移后，得到圖4。可見，去除溫度影響后ΔλB與所加質(zhì)量m，即應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，其擬合方程為ΔλB=46m+3.7，擬合優(yōu)度R2=0.998。

圖4 去除溫度影響后線性擬合結(jié)果

3 結(jié) 語

設(shè)計了一種具有溫度補償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感方案，使用一個與測量光柵的各參數(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)簡單，成本低，只要精心挑選兩只結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同的光纖光柵，就可得到很高的精度。

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