光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题

光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
1.2 光纤布拉格光栅原理 光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件
式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，A为光栅周 期。 当作用于 光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发 生变化时，会引起n和A的相应改变，从而导致λB的漂移; 反过来，通过检测λB的漂移。也可得知被测物理量的信息。 Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准 分布式测量上。温度和应力的变化所引起的λB漂移可表示 为：
2.2 双参量矩阵法 双参量矩阵法是运用各种方法将温度 和应力对同一光波的影响分别作用于该光 波的不同参量上，然后推导出对应关系， 以实现应力和温度的区分测量。近年来， 有许多方法基于这一思想的交叉敏感问题 解决方案。如混合FBG/长周期光栅法、二 次谐波法、超结构光栅法等。
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在图1所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光 源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。 一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光 纤的光功率至少为50～100 µW。而当被测温度或压力加 在光纤光栅上时。由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB 光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过 光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储存， 并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。 光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外.还具有 在一根光纤内集成多个传感器复用的特点，并可实现多点 测量功能。
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2.4 温度(应力)补偿法 其实，目前研究较多的还是温度补偿 法。该方法主要通过某种方法或装置先将 温度扰动引起的波长漂移剔除掉，从而使 应变测量不受温度的影响。近年来，国内 外许多学者提出了关于FBG交叉敏感的问 题，主要考虑实现对温度、应变同时测量 的温度补偿方法。它们分为单FBG法和双 FBG法两大类。
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式中，ε为应力，P[i，j]为光压系数，v为横向变型系 数(泊松比)，α为热胀系数，△T为温度变化量。一般情况 下 ， (2) 式 中 的 n2[P12-v(P11+P12)]/2 因 子 的 典 型 值 为 0.22，可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力 相应条件值为：
光纤光栅传感器应变和温度交 叉敏感问题
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0 引言 近年来。随着光纤通信技术向着超高速、大容量通信系统 的方向发展，以及逐步向全光网络的演进.在光通信迅猛 发展的带动下，光纤光栅已成为发展最为迅速的光纤无光 源器件之一。光纤在紫外光强激光照射下，利用光纤纤芯 的光敏感特性.光纤的折射率将随光强的空间分布发生相 应的变化。这样，在光纤轴向上就会形成周期性的折射率 波动，即为光纤光栅。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损 耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连 接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应 用。为此。本文从光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅等光 纤光栅的原理出发，综述了光纤布拉格光栅对温度、应变 同时测量技术的应用。
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式中。Λ为光栅周期，*****分别为纤芯和包层的折射 率。**境相互作用时，被测因素的变化将对光纤的传输特性 进行调制，从而使LPG的透射谱特性发生变化。这样，探 测出LPG透射谱线的变化，即可推知被测变量的变化，这 就是LPG传感的基本原理。
2.3 温度参考光栅法 该方法是选用2个相同参数的FBG对同 一测量点进行测量，是用两个相互相邻且 中心波长相同的FBG组成一个传感探头， 其中FBGl的长度L1大于FBG2的长度L2， 为了区分两光栅的反射信号，图2给出了该 方法的双FBG传感探头示意图。
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图2中的FBGl装在一个玻璃管内，两端与玻璃管固定， 以使其仅受外界温度的影响;而FBG2不装在玻璃管内，因 而会同时受温度和应变的影响。由于光纤和玻璃管具有相 同的热膨胀性。因此，FBGl和FBG2的温度敏感系数相同。
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利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化 的不同，可实现对磁场的直接测量。如通过在光 栅上涂敷特定的功能材料(如压电材料)，可实现 对电场等物理量的间接测量。
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1.3 长周期光纤光栅 长周期光纤光栅(LPG)是一种新型的光 纤光栅，光栅周期一般大于100µm，是继 FBG之后光纤光栅型传感器的另一分支。 长周期光栅的透射峰波长主要与光栅的栅 格周期以及纤芯和包层的折射率有关，其 相位匹配条件可表示为：
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2 温度和应变交叉敏感分离技术 实现应变和温度同时测量的方案很多， 但是从原理上分析，基本都是基于双波长 矩阵法、双参量矩阵法、温度参考光栅法、 温度(应力)补偿法和光强测温法等几种技术。
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2.1 双波长矩阵法 双波长矩阵法是出现较早而且目前应用较为 广泛的一种方案。其基本思想是通过一定方式在 一个传感头中获得两个不同的布拉格波长，并通 过检测这两个布拉格波长的位移来实现温度不敏 感测量或应变及温度的同时测量。如果λ1、λ2同 时对两被测量比较敏感。且波长漂移随温度和应 变的变化为线性，温度和应变变化独立或只有微 弱扰动，则由下式可得：
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1 光纤传感器的工作原理 1.1 光纤光栅传感器的结构 光纤布拉格光栅FBG于1978年发明问世。它利用硅光纤的 紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅， 故称为光纤光栅。图l所示是其光纤光栅传感器的典型结构。
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式中，kTi为布拉格波长的应变灵敏系数，它与光纤 泊松比、弹光系数和纤芯有效折射率有关;kTi为布拉格波 长的温度灵敏系数，它与热膨胀系数和热光系数有关。目 前，双波长矩阵法在温度和应力区分测量方面主要有参考 光栅法、双波长重叠FBG法和双直径FBG法等。
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