基于双光纤光栅温度压力同时区分测量的研究

FBG 的弹光系数、 泊松比, 同时还与材料的中柱面半径、 弹 性模量以及圆柱壳体壁的厚度有关。一旦这些参数确定 , 传感器的测量范围与灵敏度也就确定了。通过改变弹性材 料的尺寸大小和属性可以提高传感器的压力灵敏度, 选用 热膨胀系数较大的材料则能提高温度响应灵敏度。并且 , 当 FBG1 和 FBG2 的初始波长相等时 , 即 10 = 20 = 0 , 由式 ( 5) 减去式( 6) 经整理得到 1- P e ( 1 - 2∃ ) ( R1 / h1 - R 2 / h2 )P = K p P 1 2 = 0 2E ( 7) 其中, K p 为传感器的压力灵敏度。容易看出, 波长变化量 的差值与压力成正比关系 , 而与温度的变化无关。
Study on simultaneous discriminating measurement of temperature and pressure based on dual FBG
QIAO Xue guang 1,2 , CHEN Yi1* * , JIA Zhen an1
( 1. M inistry of Education Key L abo ratory of Photoelectricity Gas oil L ogging and Detecting ,Xi !an Detroleum Uni versity, Xi !an 710065, China; 2. Northwest U niversity, Xi !an 710069, China)
* * E mail: yichen11@ 126. com
第 1期
乔学光等 : 基于双光纤光栅温度压力同时区分测量的研究
∀ 13 ∀
= ( 1- P e) ! + (∀ + # ) T
B
( 2)
式中: !为 FBG 轴向应变; T 为温度变化量; Pe 为有效弹光系 数; ∀ 、 # 分别为 FBG 的热膨胀系数和热光系数。对于纯熔石英 [ 8] - 6 - 6 光纤 , 取 P e= 0. 22, ∀ = 0. 5 % 10 / , # = 6. 7 % 10 / 。当 FBG 被粘贴于基底材料上时, 基底材料的变形和热膨胀都会 传递到 FBG 上, 引起 Bragg 波长发生漂移。若用 ∀ sub 表示基底 材料的热膨胀系数, 则此时 FBG 的 Bragg 波长相对偏 FBG 传感器结构 Fig. 1 Schematic diagram of FBG sensor
当圆柱壳体受压力和温度的作用发生形变时, 由于应变的 传递作用, 也将带动 FBG 产生应变, 进而使 Bragg 波长发生漂 移。因为 2 个 FBG 粘贴于同种材料上, 所以由温度引起的波 长漂移量相同。由于应变与壁厚度有关, 因此 2 个 FBG 由应 变引起的波长漂移量不同。只要检测出 FBG1 和 FBG2 的波 长漂移量, 就可以知道压力与温度的信息。 当薄壁圆柱壳体受到均匀压力 P 的作用时, 其轴向产生 的应变为[ 6 ] R ! ( 1- 2∃ )P ( 4) x = 2Eh 式中: R、 h 分别为圆柱壳体的中柱面半径和壁厚度; E、 ∃ 分别 为圆柱壳体材料的弹性模量和泊松比。 由式 ( 3) 、 ( 4) 可以得到 FBG1 和 FBG2 相对波长变化 量与压力和温度变化的关系为 1 R1 = ( 1 - Pe ) (1 - 2 ∃ )P+ [(∀ - # )+ 10 2Eh 1 ( 1 - Pe ) ( ∀ )] T ( 5) sub - ∀ R1 2 = ( 1 - Pe ) (1 - 2 ∃ )P+ [(∀ - # )+ 2Eh 2 20 ( 1 - Pe ) ( ∀ )] T ( 6) sub - ∀ 式中 : 10 、20 分别为内外压力差为零时某一温度下 FBG1 和 FBG2 的初始波长。在室温条件下, 当还未开始施加压力 时, Bragg 波长不发生漂移 , 因此这里 P 代表的是圆柱体内 外的压差。从式 ( 5) 、 ( 6) 可以看出, Bragg 相对波长变化量 与压力和温度间是线性关系。压力的灵敏系数不仅取决于
1 引 言
将光纤 Bragg 光栅( FBG) 应用在传感领域时, 其测量的两 个基本参量是温度和压力。但由于 FBG 对温度和应变压力都 敏感, 故传感器本身不能分辨出温度和压力各自引起的 Bragg 波长漂移量, 因而对温度和压力双参量进行区分测量成为人们 [ 1~ 2] 研究的热点问题 , 针对这一问题, 人们提出了各种解决方 [ 3~ 6] [ 3] [ 4] 案 , 包括有: 基于平面膜片结构 , 采用双三角形结构 , 采 [ 5] [ 6] 用双周期光栅 , 采用不同横截面单光栅 。这些方法使用单 光栅, 要么需要较高的光栅粘贴工艺, 或者需要特殊的光栅, 制 作要求相对较高。基于此, 本文设计了一种基于薄壁圆柱壳体 的双光纤光栅传感器, 该结构简单, 采用普通光栅, 易于实现测 量。实验所 采 用的 材 料具 有 较小 的 弹性 模 量与 较 大的 热膨胀系数。 该传感器能够实现温度压力的同时区分测量。
收稿日期 : 2009 05 14 修订日期: 2009 07 07 *
实验结果表明, 传感器的波长变化与温度、 压力具有良好的线 性关系, 实验所测得温度、 压力灵敏度相对于裸 FBG 都有相应 的提高。
2 原 理
2. 1 FBG 温度应变响应机理
根据 FBG 的耦合模理论, 均匀非闪耀 FBG 可将其中传输 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, 反射波 Bragg 波长满足[ 7] ( 1) B = 2 nef f 式中: neff 为导模的有效折射率; 为光栅周期。当 FBG 受到外 力作用或当环境温度变化时, 由于弹光效应、 热光效应、 FBG 上 的应变和热膨胀的作用, 将引起 Bragg 波长的变化。温度和应 变引起的 Bragg 波长的漂移可表示为
光电子 ∀ 激光
第 21 卷 第 1 期 2010 年 1 月 Journal of Optoelectronics ∀ Laser Vo l. 21 N o. 1 Jan. 2010
基于双光纤光栅温度压力同时区分测量的研究*
乔学光1, 2 , 陈 懿1* * , 贾振安1
( 1. 西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室, 陕西 西安 710065; 2. 西北大学, 陕西 西安 710069) 摘要: 提出了一种基于薄壁圆柱壳体的压力温度同时区分测量的光纤 Bragg 光栅( FBG) 传感器结构。将双 FBG 沿着轴向分别粘贴在壁厚度不均匀的柱体外表面, 由于两个 FBG 受到温度影响而引起的波长漂移量是相同 的, 这时两光栅 Bragg 波长漂移量之差就完全取决于压力, 从而实现对压力温度的区分测量。实验测得, 在 0~ 7 MPa 内传感器的压力响应灵敏度为 0. 073 nm/ MPa, 在 22. 6~ 112. 6 内的温度灵敏度为 0. 037 nm/ , 分别 是裸 FBG 的 24 倍和 3. 7 倍。结果也表明, 这种传感器具有良好的线性度与可重复性。 关键词: 光纤光学; 传感器; 光纤 Bragg 光栅( FBG) ; 区分测量 中图分类号: TN253 文献标识码: A 文章编号: 1005 0086( 2010) 01 0012 03
基金项目 : 国家# 863∃ 计划资助项目 ( 2007A A06Z210, 2007A A3Z413) ; 国家自然科学基金资助项目 ( 60654001, 60727004) ; 教育部科技创新工程重大 资助项目( Z08119) ; 中石油创新基金资助项目( 2008D 5006 03 08)
图 2 FB G 传感器实验装置 Fig. 2 Experimental setup for FBG sensor
理论上, FBG1 的压力灵敏系数比 FBG2 的要大, 而温度灵 敏系数相同。因此, FBG1 的峰值波长比 FBG2 的移动得更快, 结合式( 7) 得到两者的波长宽度( 间隔) 与压力的关系为 | 1 - 2 | = K pP ( 8) 实验中, 先保持温度恒定不变, 采取逐步加压的方式对传 感器进行测试。考虑到传感器的结构以及材料的屈服强度, 所 施加的压力在 7 MPa 范围以内。实验时, 每隔 1 MPa 记录 1 和 2 的峰值波长作为一组数据, 从 0 MPa 一直到 7 MPa, 然后 以压力和两峰值波长间隔分别为横轴和纵轴, 得到 FBG1 与 FBG2 的峰值波长间隔随压力变化的关系如图 3 所示。 图 3 表明, 在温度一定的条件下, FBG1 与 FBG2 的峰值波 长间隔与压力之间具有良好的线性关系。由于温度对 2 个 FBG 波长漂移的影响是一样的, 因此双峰值波长间隔就只携 带了压力的信息, 即除去了温度的影响。由图 3 可知, 0. 073 nm/ MPa 即为实验所得传感器的压力灵敏度。 在保持外界压力不变的情况下, 将 FBG 传感器放入电子 温控箱里, 测试 FBG1 和 FBG2 的温度响应特性。以室温为初 始温度, 前一部分每隔 5 、 后一部分每隔 10 为间隔记录数
B
= ( 1 - P e ) !+ [ ( ∀ + # ) + ( 1 - P e) ( ∀ )] T sub - ∀ ( 3)
2. 2 压力、 温度同时测量原理
图 1 所示是基于薄壁圆柱壳体的 FBG 传感器结构, 壳体 右部分的内径是不同的, 而外径是一样的。在内径相接处采用 圆弧过渡, 以避免应力梯度。将 FBG1 和 FBG2 串连熔接在一 起, 并沿着轴向分别粘贴在壁厚度不同的圆柱壳体表面。
Abstract: Based on the thin wall cylindrical shell, a new fiber Bragg grating( FBG) sensor to measure the t emperature and the pressure simultaneously is proposed by using dual FBGs. Two gratings are stuck to the outer surface of the cylindrical shell with nonuniform t hickness along the axial direction. T he grat ings have similar temperature responses but different strain responses, so the simultaneous measurement can be realized. The experimental result s show that the pressure sensitivity coefficient and temperature sen sitivity coefficient are 0. 073 nm/ M Pa and 0. 037 nm/ respectively, which are 24 and 3. 7 times of that of bare FBG, within t he range of 0 7 MPa and 22. 6 112. 6 . The result s also indicate that t his sensor has a good linear response and repeatability. Key words: fiber optics; sensor; fiber Bragg grat ing( FBG) ; discriminating measurement