单光纤光栅对温度与应变的同步测量
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图 2 应变和温度测量实验装置 Fig. 2 Experimental setup for the strain
and temperature measurement
图 1 传感器结构 Fig. 1 Structure of the proposed FBG sensor
3 实验结果和讨论
图 3 布拉格波长与应变的关系 Fig. 3 Relationship between Bragg wavelength and strain
4结 论
提出了一种新型的 FBG 传感器结构, 利用一根 FBG 实现 应变和温度的同步测量, 制备简单, 只需将环氧胶水涂抹于 FBG 的一部分, 并套上金属套管。通过使用高分辨率的解调仪 和保证胶水涂抹均匀, 可以达到约 6. 1 和 1. 0 ! 的应变和温 度测量精确度。
参考文献:
[ 1] Xu M G, Archambault J L, Reekie L, et al. Discrimination be tween strain and temperature effects using dual wavelength fi bre grating sensors[ J] . Electron Lett, 1994, 30 ( 13) : 1085 1 087.
fbg传感器分成等长的两部分每一部分长10mm用环氧胶水涂敷在其中一部分的表面上再套上金属套管初始的反射波长用光谱仪osa154645nm154651nm涂胶后套上金属套管的fbg减少了光纤的折射率因而这部分的布拉格波长要小于另一部分
第 21 卷 第 12 期 2010 年 12 月
光电子 激光
Journal of Optoelectronics Laser
应变和温度的测量实验原理如图 2 所示。探测器由通过 FBG 悬挂在金属支架上的塑料圆盘组成, FBG 采用相位模板 法写入载 H 的单模光纤( SMF 28) 。FBG 传感器分成等长的 两部分, 每一部分长 10 mm, 用环氧胶水涂敷在其中一部分的 表面上, 再套上金属套管, 初始的反射波长用光谱仪( OSA) 测 量, 分别为 !1 = 1546. 45 nm 和 !2 = 1546. 51 nm, 涂胶后套上金 属套管的 FBG 减少了光纤的折射率, 因而这部分的布拉格波 长要小于另一部分。
收稿日期: 2009 12 30 修订日期: 2010 04 06 * 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 60807021) * * E mail: nk2004@ cjlu. edu. cn
第 12 期 倪 凯等: 单光纤光栅对温度与应变的同步测量
1 823
2原 理
设计的 FBG 探测器结构原理如此应变和温度可以通过计算代入方程的 FBG 探测器布
拉格波长得到。在 2700 和 75 ! 的测量范围内, 误差大约在
∃ 9. 2 和 ∃ 1. 5 ! , 主要是由于 OSA 分辨率的限制和 FBG
1824
光 电 子 激 光 2010 年 第 21 卷
其中一部分的胶水涂抹不够均匀。通过使用更高分辨率的解 调仪和提高胶水涂抹工艺, 可以达到约 6. 1 和 1. 0 ! 的应变 和温度测量精确度。
图 4 布拉格波长与温度的关系 Fig. 4 Relationship between Bragg wavelength and temperature
将 ki 和 kTi (i= 1, 2) 估算值代入方程(4) 得到
10. 114 - 32. 331 !1
T = 49. 44 0. 000 0. 002
到 2 个布拉格波长, 对应不同的应变响应。
另一方面, 2 个部分具有不同的热光系数, 也可得到 2 个
FBG 体现不同的温度响应。因此, 可认为 k 1 # k 2, kT1 # kT2, 则 式( 1)和(2)可重新写为
!1
k k 1
T1
!2 = k 2 kT2
T
( 3)
通过矩阵变换, 式( 3) 可被转换为
Strain and temperature simultaneous measurement using a single fiber Bragg grating
NI Kai 1, 2* * , DONG Xin yong2, WAN G Jian feng2 , XU Hai song1
( 1. State Key L aboratory of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang U niversity, Hangzhou 310027, China; 2. In stitute of Optoelectronic Technology , China Jiliang University, H ang zhou 310018, China)
1引 言
光纤布拉格光栅( FBG) 是一类非常有前景的应变、温度及 其它参数测量的传感元件, 其一个显著的局限是不能区分在同 一次测量中温度和应变引起的波长偏移。为了克服这个局限 性, 提出了很多方法, 例如双波长阶层光栅[1] , 混合布拉格光 栅/ 长周期光栅[ 2, 3] , 双直径 FBG[ 4] , 带偏振摇摆过滤的阶层 FBG[ 5] , 与 EDFA 结合的 FBG[6] , FBG 法布里 泊罗腔[7] 和长周
( 1)
!2 = k 2 + kT 2 T
( 2)
这里: ki = !i/ i( i= 1, 2)表示与泊松比、光弹系数和有效折射
率有关的材料参数, kTi = !i/ T i(i = 1, 2) 与光纤的热膨胀和
热光系数有关。因为 FBG 分成的两部分具有同等的直径、不
同的杨氏模量和热膨胀系数, 因此对于一个外加负载, 可以得
FBG 对于温度和应变的响应被分别测量。温度响应通过 温控箱调节温度, 应变响应通过放在塑料圆盘上的砝码质量调 节。信号来源于宽带光源( BBS) , 反射波长由 OSA 监测。在应 变响应测量中, 温度保持在 20 ! , 避免温度变动引起的误差。 FBG 探测器两部分的布拉格波长对应于应变的变化如图 3 所 示。k 1和 k2 的估算值分别为 0. 002 和 0. 000 nm/ , 0. 000 值 的出现是因为涂胶的部分套了金属套管, 导致砝码重量改变对 该部分 FBG 的周期改变很小, 因此应变响应没有改变。在温
[ 2] Patrick H J, Willians G M, Kersey A D, et al. Hybrid fiber Bragg grating/ long period fiber grating sensor for strain/ temperature discrimination[ J] . IEEE Photonics Technol Lett, 1996, 8 ( 9) : 1223 1225.
Abstract: A new scheme for strain and temperature measurement simultaneous is proposed using a single fiber Bragg grating( FBG) . T he FBG is divided into two sections which have an equal length, the epoxy glue is daubed on one section, and it is inserted in st eel cannula. So the two sections can be regarded as two FBGs with different Bragg wavelengths. Using the differences of their Young∀s moduli and coeffi cients of thermal expansion, both strain and temperature can be measured. in the measurement regions of 2 700 and 75 ! , strain resolution and temperature resolution of~ 6. 1 and ~ 1. 0 ! are achieved. These errors are mainly due to the limited resolution of the optical spectrum analyzer and the thickness of the epoxy glue between the fiber and steel cannula is not even. T he accuracy and resolution of the sen sor can be easily increased by using a FBG demodulat or, which has higher resolution, and improving the act of daubing. Key words: fiber Bragg grating( FBG) ; fiber sensor; temperature compensation; st rain measurement
分成等长的两部分, 用环氧胶水涂敷在其中一部分的表面, 再
套上金属套管, 此时其可以看成具有不同布拉格波长的 2 个
FBG, 利用它们之间不同的杨氏模量和热膨胀系数, 应变和温
度能够同步测量。由温度变量 T 和应变变量 引起的 2 个
布拉格波长的偏移 !i( i= 1, 2)可表示为
!1 = k 1 + kT 1 T
期光栅方法[8,9] , 多数方法基于结合 2 个 FBG[ 10, 11] 或者 1 个 FBG 和另一个其它光纤器件, 使系统的成本增加、探测器的制 备变得复杂。长周期光栅方法利用在一个长周期光栅里多重 响应带宽实现对温度和应变的同步测量。实际上, 由于光谱带 宽范围大, 对于长周期光栅很难准确测量出波长的微小偏移。 本文提出了一种新设计, 利用一根 FBG 区分应变和温度引起 的波长偏移, 应变测量的准确性被提高了, 实验结果证实了该 种探测器的有效性。
[ 3] GU Zheng tian, ZHAO Xiao yun, ZHANG Jiang tao. Transmis sion spectra of coated phase shifted long period fiber gratings [ J] . Optoelectronics Letters, 2009, 5( 4) : 244 247.
T
=
1 B
k T2 - k2
- kT1 k1
!1 !2
( 4)
这里, B= k 1 kT2- k 2kT 1。所以, 待测应变和温度的值, 可通过求 解方程( 4) 得到。
度响应测量中, 光纤无施加外力, FBG 探测器两部分的布拉格 波长对应于温度的变化如图 4 所示。kT 1和 kT2 的估算值分别为 10. 114 和 32. 331 pm/ ! , 因为涂胶部分套了金属套管, 增加了 这部分光纤的热光系数, 因而这部分的温度系数要大于另一部 分。
V ol. 21 N o. 12 Dec. 2010
单光纤光栅对温度与应变的同步测量*
倪 凯1, 2* * , 董新永2, 王剑锋2 , 徐海松1
( 1. 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027; 2. 中国计量学院 光电子技术研究所, 浙江 杭 州 310018)
摘要: 提出了一种采用单光纤布拉格光栅( FBG) 进行温度与应变同步测量的新颖设计。一根 FBG 被分成等长 的两部分,用环氧胶水涂敷在其中一部分的表面, 再套上金属套管, 此时可以看成具有不同的布拉格波长的 2 个 FBG, 利用它们之间不同的杨氏模量和热膨胀系数, 应变和温度能够同步测量。实验结果表明, 在 2700 和 75 ! 的测量范围内, 可以达到约 6. 1 和 1. 0 ! 的应变和温度精确度, 误差主要来源于光谱仪分辨率的限制和 FBG 其中一部分的胶水涂抹不够均匀, 通过使用高分辨率的解调仪和提高胶水涂抹工艺可得到更高的测量精 确度。 关键词: 光纤布拉格光栅( FBG) ; 光纤传感器; 温度补偿; 应变测量 中图分类号: T N29 文献标识码: A 文章编号: 1005 0086( 2010) 12 1822 03
and temperature measurement
图 1 传感器结构 Fig. 1 Structure of the proposed FBG sensor
3 实验结果和讨论
图 3 布拉格波长与应变的关系 Fig. 3 Relationship between Bragg wavelength and strain
4结 论
提出了一种新型的 FBG 传感器结构, 利用一根 FBG 实现 应变和温度的同步测量, 制备简单, 只需将环氧胶水涂抹于 FBG 的一部分, 并套上金属套管。通过使用高分辨率的解调仪 和保证胶水涂抹均匀, 可以达到约 6. 1 和 1. 0 ! 的应变和温 度测量精确度。
参考文献:
[ 1] Xu M G, Archambault J L, Reekie L, et al. Discrimination be tween strain and temperature effects using dual wavelength fi bre grating sensors[ J] . Electron Lett, 1994, 30 ( 13) : 1085 1 087.
fbg传感器分成等长的两部分每一部分长10mm用环氧胶水涂敷在其中一部分的表面上再套上金属套管初始的反射波长用光谱仪osa154645nm154651nm涂胶后套上金属套管的fbg减少了光纤的折射率因而这部分的布拉格波长要小于另一部分
第 21 卷 第 12 期 2010 年 12 月
光电子 激光
Journal of Optoelectronics Laser
应变和温度的测量实验原理如图 2 所示。探测器由通过 FBG 悬挂在金属支架上的塑料圆盘组成, FBG 采用相位模板 法写入载 H 的单模光纤( SMF 28) 。FBG 传感器分成等长的 两部分, 每一部分长 10 mm, 用环氧胶水涂敷在其中一部分的 表面上, 再套上金属套管, 初始的反射波长用光谱仪( OSA) 测 量, 分别为 !1 = 1546. 45 nm 和 !2 = 1546. 51 nm, 涂胶后套上金 属套管的 FBG 减少了光纤的折射率, 因而这部分的布拉格波 长要小于另一部分。
收稿日期: 2009 12 30 修订日期: 2010 04 06 * 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 60807021) * * E mail: nk2004@ cjlu. edu. cn
第 12 期 倪 凯等: 单光纤光栅对温度与应变的同步测量
1 823
2原 理
设计的 FBG 探测器结构原理如此应变和温度可以通过计算代入方程的 FBG 探测器布
拉格波长得到。在 2700 和 75 ! 的测量范围内, 误差大约在
∃ 9. 2 和 ∃ 1. 5 ! , 主要是由于 OSA 分辨率的限制和 FBG
1824
光 电 子 激 光 2010 年 第 21 卷
其中一部分的胶水涂抹不够均匀。通过使用更高分辨率的解 调仪和提高胶水涂抹工艺, 可以达到约 6. 1 和 1. 0 ! 的应变 和温度测量精确度。
图 4 布拉格波长与温度的关系 Fig. 4 Relationship between Bragg wavelength and temperature
将 ki 和 kTi (i= 1, 2) 估算值代入方程(4) 得到
10. 114 - 32. 331 !1
T = 49. 44 0. 000 0. 002
到 2 个布拉格波长, 对应不同的应变响应。
另一方面, 2 个部分具有不同的热光系数, 也可得到 2 个
FBG 体现不同的温度响应。因此, 可认为 k 1 # k 2, kT1 # kT2, 则 式( 1)和(2)可重新写为
!1
k k 1
T1
!2 = k 2 kT2
T
( 3)
通过矩阵变换, 式( 3) 可被转换为
Strain and temperature simultaneous measurement using a single fiber Bragg grating
NI Kai 1, 2* * , DONG Xin yong2, WAN G Jian feng2 , XU Hai song1
( 1. State Key L aboratory of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang U niversity, Hangzhou 310027, China; 2. In stitute of Optoelectronic Technology , China Jiliang University, H ang zhou 310018, China)
1引 言
光纤布拉格光栅( FBG) 是一类非常有前景的应变、温度及 其它参数测量的传感元件, 其一个显著的局限是不能区分在同 一次测量中温度和应变引起的波长偏移。为了克服这个局限 性, 提出了很多方法, 例如双波长阶层光栅[1] , 混合布拉格光 栅/ 长周期光栅[ 2, 3] , 双直径 FBG[ 4] , 带偏振摇摆过滤的阶层 FBG[ 5] , 与 EDFA 结合的 FBG[6] , FBG 法布里 泊罗腔[7] 和长周
( 1)
!2 = k 2 + kT 2 T
( 2)
这里: ki = !i/ i( i= 1, 2)表示与泊松比、光弹系数和有效折射
率有关的材料参数, kTi = !i/ T i(i = 1, 2) 与光纤的热膨胀和
热光系数有关。因为 FBG 分成的两部分具有同等的直径、不
同的杨氏模量和热膨胀系数, 因此对于一个外加负载, 可以得
FBG 对于温度和应变的响应被分别测量。温度响应通过 温控箱调节温度, 应变响应通过放在塑料圆盘上的砝码质量调 节。信号来源于宽带光源( BBS) , 反射波长由 OSA 监测。在应 变响应测量中, 温度保持在 20 ! , 避免温度变动引起的误差。 FBG 探测器两部分的布拉格波长对应于应变的变化如图 3 所 示。k 1和 k2 的估算值分别为 0. 002 和 0. 000 nm/ , 0. 000 值 的出现是因为涂胶的部分套了金属套管, 导致砝码重量改变对 该部分 FBG 的周期改变很小, 因此应变响应没有改变。在温
[ 2] Patrick H J, Willians G M, Kersey A D, et al. Hybrid fiber Bragg grating/ long period fiber grating sensor for strain/ temperature discrimination[ J] . IEEE Photonics Technol Lett, 1996, 8 ( 9) : 1223 1225.
Abstract: A new scheme for strain and temperature measurement simultaneous is proposed using a single fiber Bragg grating( FBG) . T he FBG is divided into two sections which have an equal length, the epoxy glue is daubed on one section, and it is inserted in st eel cannula. So the two sections can be regarded as two FBGs with different Bragg wavelengths. Using the differences of their Young∀s moduli and coeffi cients of thermal expansion, both strain and temperature can be measured. in the measurement regions of 2 700 and 75 ! , strain resolution and temperature resolution of~ 6. 1 and ~ 1. 0 ! are achieved. These errors are mainly due to the limited resolution of the optical spectrum analyzer and the thickness of the epoxy glue between the fiber and steel cannula is not even. T he accuracy and resolution of the sen sor can be easily increased by using a FBG demodulat or, which has higher resolution, and improving the act of daubing. Key words: fiber Bragg grating( FBG) ; fiber sensor; temperature compensation; st rain measurement
分成等长的两部分, 用环氧胶水涂敷在其中一部分的表面, 再
套上金属套管, 此时其可以看成具有不同布拉格波长的 2 个
FBG, 利用它们之间不同的杨氏模量和热膨胀系数, 应变和温
度能够同步测量。由温度变量 T 和应变变量 引起的 2 个
布拉格波长的偏移 !i( i= 1, 2)可表示为
!1 = k 1 + kT 1 T
期光栅方法[8,9] , 多数方法基于结合 2 个 FBG[ 10, 11] 或者 1 个 FBG 和另一个其它光纤器件, 使系统的成本增加、探测器的制 备变得复杂。长周期光栅方法利用在一个长周期光栅里多重 响应带宽实现对温度和应变的同步测量。实际上, 由于光谱带 宽范围大, 对于长周期光栅很难准确测量出波长的微小偏移。 本文提出了一种新设计, 利用一根 FBG 区分应变和温度引起 的波长偏移, 应变测量的准确性被提高了, 实验结果证实了该 种探测器的有效性。
[ 3] GU Zheng tian, ZHAO Xiao yun, ZHANG Jiang tao. Transmis sion spectra of coated phase shifted long period fiber gratings [ J] . Optoelectronics Letters, 2009, 5( 4) : 244 247.
T
=
1 B
k T2 - k2
- kT1 k1
!1 !2
( 4)
这里, B= k 1 kT2- k 2kT 1。所以, 待测应变和温度的值, 可通过求 解方程( 4) 得到。
度响应测量中, 光纤无施加外力, FBG 探测器两部分的布拉格 波长对应于温度的变化如图 4 所示。kT 1和 kT2 的估算值分别为 10. 114 和 32. 331 pm/ ! , 因为涂胶部分套了金属套管, 增加了 这部分光纤的热光系数, 因而这部分的温度系数要大于另一部 分。
V ol. 21 N o. 12 Dec. 2010
单光纤光栅对温度与应变的同步测量*
倪 凯1, 2* * , 董新永2, 王剑锋2 , 徐海松1
( 1. 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027; 2. 中国计量学院 光电子技术研究所, 浙江 杭 州 310018)
摘要: 提出了一种采用单光纤布拉格光栅( FBG) 进行温度与应变同步测量的新颖设计。一根 FBG 被分成等长 的两部分,用环氧胶水涂敷在其中一部分的表面, 再套上金属套管, 此时可以看成具有不同的布拉格波长的 2 个 FBG, 利用它们之间不同的杨氏模量和热膨胀系数, 应变和温度能够同步测量。实验结果表明, 在 2700 和 75 ! 的测量范围内, 可以达到约 6. 1 和 1. 0 ! 的应变和温度精确度, 误差主要来源于光谱仪分辨率的限制和 FBG 其中一部分的胶水涂抹不够均匀, 通过使用高分辨率的解调仪和提高胶水涂抹工艺可得到更高的测量精 确度。 关键词: 光纤布拉格光栅( FBG) ; 光纤传感器; 温度补偿; 应变测量 中图分类号: T N29 文献标识码: A 文章编号: 1005 0086( 2010) 12 1822 03