光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
光纤光栅的应变和温度传感特性研究
光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一 光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二 光纤光栅传感器增敏与封装 (3)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (4)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (5)5 粘敷式敏化与封装 (7)三 光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG 与LPFG 混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一 光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。
当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。
由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。
FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。
当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。
光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。
假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。
光纤光栅传感器交叉敏感问题研究
2
+
5neff 5T
+
5+ neff 5 T
K ΕT = ΚB
1 n eff
5 2neff 5 Ε5T
+
1 +
5 2+ 5 Ε5T
+
1 n eff +
5neff 5T
×
55+Ε+
5neff ×5+ 5 Ε 5T
K Ε 为应变灵敏度, 是与光纤泊松比、弹2光系数 p e
和纤芯有效折射率 neff 及光纤光栅周期 + 有关的
v 是纤芯材
料的泊松比[8]。把上述引入的物理量代入 (5) 式, 得
到的波长移位表达式为
∃ ΚB (Ε, T ) = K Ε∃ Ε+ K T ∃T + K ΕT ∃ Ε∃T (7) 式中:
K Ε= ΚB (1-
p e) = 2
+
5n 5
eΕff +
n
eff
5+ 5Ε
K T=
ΚB (Αn+
Α+) =
系数 ΑA =
55TΕ=
1 +
5+ 5T
,
热2光系数
Αn =
1 n eff
5neff 5T
,
有效
弹2光系数p e= -
1 n eff
5neff 5Ε
,
在均匀轴向应力作用下,
光纤的有效弹2光系数也可以表示为
p e=
n
2 eff
2
[
p
12
-
(p 11+ p 12) v ]
式中: p 11 和 p 12 是光纤的弹2光系数;
FBG温度传感器交叉敏感问题的研究
）
，
Ｓｔ
ｒａ ｔ ｅ
ｇ
ｉ
ｃ
Ｐｒ ｉ ｏｒ ｉ ｔ ｙ Ｒｅｓ ｅ ａｒｃ ｈ
Ｐｒｏ ｇｒ ａｍ ｏ ｆ
ｔ
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ｅ ｄ ｕ ｃｎ
．
囯 科 学 院 战 略 性 先 导 科 技 专 项 Ａ Ｘ ＤＡ １ １ ０
夕卜
，
，
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賴 顏 艘交 叉 賴 陋 顏 要 重 点
，
獄 錢賴 度 錄 性提高 了
考虑
，
在 实 际 应 用 过 程 中 必 须 采 取措 施 进 行 补 偿
？
不能
负 热 膨胀 系 数 的 材 料很 少
’
度 的影响 另
’ ，
或 者 区分
目
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了 与 这 个 参 ？ 相关 的 测 试 系 统
’
使 整个系 统更为
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，
方面
，
光纤 传 Ｍ 与 传 細 电 学 娜 器娜 縣
，
麟 且 具有
，
－
定 的 雕性 ２ 双 光 栅 叠 加 法
？
很 多 优点
、
如 灵 敏度 高
、
、
体积 小
、
、
耐腐蚀 抗电 磁
、
其优
要引 人Ｓ
■
国
３）
内 外 已 开 展 大 量研 究 工 作
基 于 光 纤 布 拉 格光 ＩＩ
光纤光栅应变传感器温度补偿的解决方案
谢 谢！
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特殊结构法
将两种包层直径不同而材料相同的光纤按图所示 熔接在一起, 这两种光纤在靠近熔接处分别写有中心波 长相近的光栅。当光纤光栅所受温度和应变同时改变 时, 两光栅表现出相同的温度响应特性, 但应变响应特 性不同, 从而实现区分测量。
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矩阵法
利用两种不同化学聚合物分别对光纤光栅进行封 装, 其中将光栅一半封于聚胺脂甲中, 待其固化后, 再将 剩余一半光栅和甲全部封装于聚酞胺乙中, 整个光栅位 于乙的中心。封装后, 会产生两个反射峰, 且这两个峰的 压力和温度灵敏度均不相同, 从而达到压力和温度的同 时测量, 解决了测量压力时温度变化带来的不利影响。
其主要思想是在同一光栅中或一对光栅间形 成两个相关联的布拉格中心波长入B1 、入B2 。利 用入B1、入B2的关联特性, 将应变与温度进行分离。 1. 参考光栅法 2. 特殊结构法 3. 矩阵法
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参考光栅法
将两性能相同的光栅置于同一温度场的测量环境中, 以保证温度变化对两光栅的影响相同。其中一个作参 考光栅, 封装时使其免受应力作用, 只感测温度的变化。 从测量光栅测得的总波长变化量中减去温度引起的波 长变化, 便可实现温度补偿。
光纤光栅应变传感器 温度补偿解决方案
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双波长方案
由于光栅布拉格波长对温度与应变均敏感, 它本身无法区别温度和应变分别引起的波长变化, 导致温度和应变的交叉敏感问题制约其发展。而 在进行应变传感测量时, 如何消除温度的影响, 也 一直是人们研究的重要内容。在实际应用中, 必须 对温度进行补偿。
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矩阵法
It can be concluded that the chirp is only determined by the axial stress. The shift of central wavelength is determined by both axial stress and temperature variation. The central wavelength change has a constant ratio with applied stress under different circumstance temperature.
光纤光栅传感器在桥梁应变测量中交叉敏感问题的研究
公路工叠与运辅 ・ Ｃ ＭＮＡＯ Ａ Ａ ＩＴＮ Ｓ １ Ｏ ＵＣ ＩＳＴ Ｄ ＤＡＯＩ Ｅ￣４ Ｍ ＩＴＮＳＮ ＲＺ Ｉ Ｕ Ｎ５ Ｓ
耿伟 霞 ，王 天 滑 ．王 亚 民－
（． １西安科 技大学 ，陕西 西安 ７ ０ ５ ；２中交通力 ，陕西 西安 ７ ０ ７ ） １０ ４ ． １０ ５
桥 等。
响．只有满足布喇格条件的光在布喇格光栅处反射
后 会 再 返 回到 原来 的方 向。 由耦 合 模 理论 （ ＭＴ ｍ Ｃ ） 可知 ．光纤 布喇 格光栅 （Ｂ Ｂａｇ Ｆ Ｇ） ｒｇ波长 为 ： Ａ ＝ ２ 式 中 ：Ａ 厂 布 喇格波 长 ； —— 光 栅周 期 ： — — 光纤 模 式 的有效 折射 率 。
ＧＥ ＮＧ Ｗ ｅ— ｉ Ｗ ＡＮＧ Ｔ ａ — ｕ Ｗ ＡＮＧ Ｙ — ｉ ｉｘａ ， ｉｎ ｈ ａ ． ａｒｎ ａ
（ ． ｉ ｎ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｕ ｉ ｒ ｔ ，Ｘ ｎ ７ ０ ５ １ ｃ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｎｖ ｓ ｙ ｉ １ ０ ４，Ｃ ｉａ ． ｏ ｇ ｌ Ｓ ｉｎ ｅ Ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｅ ｅ ｐ ｅ ｔ ｒｕ ｆ Ｘ ａ ｅ ｇ ｅｉ ａ ｈｎ ；２ Ｔ ｎ —ｉ ｃ ｃ ｎ ｅ ｈ ｉ Ｄ ｖ ｌ ｍ ｎ ｏ ｐ ｏ ｅ ｃ ｏ Ｇ Ｃ ｉａ ｉ ｎ ７ ０ ７ ，Ｃ ｉａ ｈｎ ，Ｘ １ ０ ５ ｈｎ ） ａ
以其监测精度高、重复性好和长期稳定等优势 ．为
桥 梁结构 监测 提供 了 良好 的技术 手段 。 自１９ 年加 ９３ 拿 大多伦 多大学 的研究 者率 先在 卡尔 加里 的 贝丁顿 特 雷 尔 桥 上 布 置 光 纤 传 感 器进 行 桥 梁 监 测 至 今圆 ， 光纤 光栅传 感技术 已广泛 应用 于桥 梁等 重大 土木 工 程 的监测 中。 目前 国 内也 已开始在 桥 梁监测 中应 用 光纤 光栅 传感技 术 ，如海 口世纪大 桥 、巴东 长 江大
光纤光栅应变传感器的温度补偿及其工程应用
光纤 光 栅传 感器 的传 感 原 理 … 是 ： 当光 纤 光 栅 周 围的应 变 、 温度 或其 他待 测 物理 量发 生 变化 时 ， 会 引 将 起纤 芯折 射 率或 光栅 周 期 发 生 变化 ， 而 引 起 光 纤 光 进 栅 的 中心波 长产 生 变 化 ， 过 对 光 栅 中心 波 长 变 化 量 通 的测 量 ， 可 间接获 得待 测 物理 量 的变化 情 况 。 即
（） １ 通过 采 用 “ 载 预压 ” 预 先 让 便 梁 受 力 ， 卸 法 使 便 梁支 点沉 降稳 定 ， 于 确 保 线 路 的安 全 起 到 很 好 的 对
耐 高 温等 ， 且粘 贴 或埋 入 到结 构 中不 会 对 其 性 能 造 并 成 明显 影 响 ， 因此 广泛 应用 于工 程 结构 的应 变 、 温度 等 物 理量 的监 测 或 检 测 中。但 在 对 实 际 结 构 的监 测 之
中 ， 于 光 纤 光 栅 的 中 心 波 长 对 温 度 与 应 变 均 敏 由
顶 进 结 束 后 前 面 方 向 偏 差 １ ｍ， 低 偏 差 ５ｃ 高
＋ ０ｃ ， 误 差 允 许 范 围 之 内 。 １ ｍ 在
５ 结 论
定抑 制 扎头 的作 用 。
参 考文 献 ：
［ ］ 冯 生 华 ， 孚珩 ． 市 地 道 顶 入 法 施 工 ［ ． 京 ： 国 建 筑 工 业 １ 张 城 Ｍ］ 北 中 出版 社 ，９ ２ １８ ． ［］ 刘 ２ 辉． 重载 铁路 下顶 进框 构 涵的施 工 技术 ［］ 铁 道建 筑 ， 在 Ｊ．
当 光 纤 光 栅 在 自 由 状 态 下 仅 受 温 度 作 用 时 ， 度 温
顶进 应 贯彻 “ 挖 、 顶 、 测 、 纠 ” 原 则 ， 一 顶 少 慢 勤 勤 的 每
光纤Bragg光栅应变、温度交叉敏感问题的研究
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｔｈｅ ｒ ｓ ｓ ｓｔｖ ｔ ｏ ｓ ｒ ｉ ａ ｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｉ ａ ｅ ｐ ｏ ｅ ｆ ｆｂ ｒ ｔａ ｔ ｃ ｏ ｓ ｅｎ ｉｉ ｉｙ ｆ ｔ ａ ｎ ｎｄ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｓ ｋ ｙ ｒ ｂｌｍ ｏｒ ｉ ｅ Ｂｒ ｇｇ ａ
ｇ ａ ｉｇ （ ｒ ｔｎ ＦＢＧ ）ｓ ｎ ｏ ｓ Ｂａ ｅ ｏ ｈｅ ｐｈｙ ｉ ａ ｅ ｈａ ｓ ｏｆｔ ｔ ａｎ ａ ｄ ｅ ｅ ｓ ｒ． ｓｄ ｎｔ ｓｃ ｌｍ ｃ ｎｉｍ ｈｅ ｓ ｒ ｉ ｎ ｔ ｍｐｅ ａ ｕ ｅ ｃ ｏ ｓ ｒ ｔ ｒ ｒ ｓ
ｍ
ａ
测 量 ， 温 度 灵敏 度 为 ０ ０ ｍ／Ｃ。解 决 了温 度 和 应 变 同 时 区分 测 量 这 一 技 术 难 题 。 其 ． ２ｎ
关 键 词 ： 光 纤 Ｂ ａ ｇ光 栅 ； 交 叉敏 感 ； 区分 测 量 ｒｇ
中 图分 类 号 ：ＴＮ２ ３ ５ 文献 标 志 码 ：Ａ
ｐｒ ｓ ｎｔ ｄ． Ｔｈｅ ｒ ａ — ｖ ｌ ｎ ｈ ｍａ ｒｘ，ｔ ｅｅ ｅ ｙ ａ ｅ ｄｕ ｌｗａ ｅ ｅ ｇｔ ｔ ｉ ＷＯ ＦＢＧｓ ｗｉｈ ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｃａ ｄｉ ｇ ｄｉｍ ｅ ｅ ｓ ａ ｄ ｔ ｉｆ ｒ ｎ ｌｄ ｎ ａ ｔ ｒ ｎ
ｃ ｉｐ ｄ Ｂｒ ｇ ａ ｉ ｅ ｈ ｑｕ ｓ Ｂａ ｅ ｎ ｄｕ ｌｗ ａ ｅ ｅ ｔ ａ ｒｘ ｔ ｃ ｎｉ ｅ， ａ ｎｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｈ ｒ ｅ ａ ｇ ｇｒ ｔｎｇ ｔ ｃ ｎｉ ｅ ． ｓ ｄ ｏ ａ — ｖ ｌｎｇ ｈ ｍ ｔ ｉ ｅ ｈ ｑｕ ｗ ｔ ｕ ｔ ｒ ｏ ＦＢＧ ｓ ｎ ｏ ｂ ｓ ｄ ｏ ａ ｅ ａ ｔｃ ｓ ｒ ｉ ｓ ｎ ｉｉ ｅ ｅｅ ｅ ｔ ｉ ｐｒ ｏ ｅ ｆ ｅ ｓ ｒ ａ ｅ ｎ ｎ ｌｓ ｉ ｔ ａｎ— ｅ ｓ ｔｖ ｌｍ ｎ ｓ ｏｐ ｓ ｄ． Ｓｉ ｕ ｔ ｎ ｏ ｍ ｌａ ｅ ｕｓ ｄ ｓ ｒｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｆ ｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｅ ｐｅ ａ ｕ ｅ ａ ｅ ｄｅ ｏ ｓ ｒ ｔ ｄ ｉ ０ Ｍ Ｐａ ａ ｉ ｃ ｉ ｎ ｔｏ ａ ｕ ｅ ｎ ｓｏ ｈ ｒ ｓ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｍ ｒ ｔ ｒ ｒ ｍ ｎ ｔａｅ ｎ ２ ｎｄ
光纤光栅应变、温度交叉敏感问题研究现状分析
变化时 ，光纤的热光效应 和热膨胀作用也会弓起反射波长的变化。反射波长变化与应变和温度的 ｝
关 系为 ：
△ ／ ＝（一 ） ｔ １ ｓ＋（ ＋ ） ， ＡＴ 式 中 ，Ｐ 、 ， ｅ 和 分 别为 光纤 的弹光 系 数 、热 膨胀系 数和 热光 系数 。
（ ２些 兰 兰
精 确获得所需 参量 ，正确评 价被 测物体状态 的保 证 。
！ 塑 笙
动是 由温度变 化引起 的 ，还是 由应 变变化 引起 的 ，对 于确切 了解被测体 的状态是至关 重要 的 。也是
３ 光栅交叉敏感问题现有解决方案分析
针对光纤 光栅 的交叉 敏感 问题 ，人们 已提 出了众 多 的解 决方案 ，分析各方 案的原理 、本质 ，可
有的很多方案仅从独立的光栅传感器角度进行分析，而未考虑实际工程应用中的具体情况 ，脱离了
与实际被测结构体 的联系。因此虽然方法众多， 但其能否解决应力、应变测量中的温度补偿问题， 还要与结构相结合 ，分析解决方案 中传感器的实际受力状态。
图 １ 各 种光 栅 应变 、温 度交 叉 敏 感 问题 解 决 方案 归 类
。 — — — — — —
三兰
Ｌ Ｊ
图 ２ 管式 温 度 补 偿 封 装 结 构 示 意 图
图 ３ 两 端 螺 杆 调 节 温度 补偿 结构 示意 图
文献【】 ５也是利用了光纤光栅在温度升高时受两端材料热膨胀作用产生压缩变形的原理 （ 如图 ４
第１卷 第２ ０ 期
２ １ 年 ６月 ０１
石 家庄铁路 职业技 术学院学报
Ｊ ＲＮ ＯＵ ＡＬＯ Ｈ 儿Ａ ＨＵ Ｎ Ｉ ＴＴ ＥＯ Ａ Ｌ ＹＴ Ｃ ＮＯ Ｏ ＦＳ Ｉ Ｚ Ａ Ｇ ＮＳ ＩｕＴ ＦＲ Ｉ ＷＡ Ｅ Ｈ Ｌ ＧＹ
FBG应变传感器温度交叉敏感补偿技术研究
１ ． １ 工作 原理
（ Ｇ ＨＸ ． ５ ０ ） 中， 温度 值 由恒 温箱 控 制 ， 实验 中待 测 应 变 值 由等 强度 悬 臂 梁所 悬 挂 的载荷 控 制 ， 同时 高 温 电阻 应 变 片 结 合 应 变 测 量 仪 提 供 悬 臂 梁 的 实 际应
所示。
△ Ａ ／ Ａ 日 ＝ （ １ 一 Ｐ ） △ ＋ （ ， ＋ ａ ： ） Ａ Ｔ 和热 光 系数 。
（ ２ ）
式中， Ｐ 、 ， 和台 分别 为光纤 的弹光 系数 、 热膨 胀 系数 当温度 和应 变 的变化 同时 发生 时 ， 被 测 的应 变 信号和 Ｆ Ｂ Ｇ应 变 传感 器 输 出信 号 问存 在 着 较 大 的
ｓ ｕｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄｕ ｉ ｔ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ Ｂｒ ａ ｇ ｇ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ； ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ； ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ； ｄ ａ ｔ ａ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ
光
电
技
术
应
用
第２ ９ 卷
采 取 二元 回归分 析 方法 ， 通过 计算 机 程 序对 现 有 传感 器 采集 到 的数 据 进行 二 元融 合 处 理 ， 建立 温 度 和 应变 量 的 二元 回归拟 合模 型［ ２ ｏ １ ， 可 有 效 降低 温 度 和应 变 的交 叉 敏感 性 ， 以实 现传 感 器对 目标参 量
光纤光栅传感测量中的交叉敏感研究X
光纤光栅传感测量中的交叉敏感研究Ξ吕且妮,张以谟,刘铁根,李 川,陈希明,贺家李(天津大学现代光学仪器研究所光电子信息技术科学教育部重点实验室,天津300072)摘 要:依据Bragg 光栅方程,从理论上分析了光纤光栅应变和温度双参量同时测量中引起交叉敏感的物理机理,对有交叉敏感和无交叉敏感两种情况下的误差进行了分析讨论,并给出了数学表达式.结合实验数据进行了计算,估计了忽略交叉敏感可能带来的误差,同时给出了两种情况下的误差曲线图.关键词:光纤光栅传感器;交叉敏感;误差分析中图分类号:TP212.14 文献标识码:A 文章编号:049322137(2002)0420425204 近年来,光纤光栅传感器的应用研究倍受关注.究其原因是,光纤光栅传感器是一种波长调制型传感器,传感过程是通过外界参量对布喇格中心波长的调制来获取信息,从而克服了强度调制型传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率波动的弱点.另外,光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高、重复性好、重量轻、探头尺寸小、结构紧凑、传输距离远(传感器到解调端可达几公里),适于在高温、腐蚀性或危险性环境下工作,并且多个光纤光栅串联与建筑结构制备在一起,可以实现实时监测,在波分和时分复用情况下,多个光纤光栅只需一根数据总线,就可以实现对物理量的分布式测量等.特点这些特点是其它传感元件无法比拟的. 但是光纤光栅传感器对温度和应力都是敏感的,即温度、应力均能引起布喇格光栅中心波长的漂移,当光纤光栅用于传感测量时,很难区分它们分别引起的被测量量的变化,这就是交叉敏感问题.随着光纤光栅制作技术的日益成熟,交叉敏感成了制约光纤光栅传感器实用化的又一重要问题.为此拟就交叉敏感问题,从物理机制上进行探讨,并进行误差分析.1 理论分析 根据光纤耦合模理论,当宽带光在光纤光栅中传输时,将产生模式耦合,满足布喇格条件 λB =2n eff Λ(1)的光被反射.式中:Λ为光栅周期;n eff 为导模的有效折射率.由式(1)可知,任何使n eff 和Λ发生改变的物理过程都将引起光栅布喇格波长的漂移.对光纤光栅温度2应变传感测量,Bragg 波长λB 是温度t 、应力ε的函数,即 λB (ε,T )=n (ε,T )Λ(ε,T )(2)式中:n =2n eff .应力影响波长λB 是由于弹光效应和光纤光栅周期Λ的伸缩引起的;温度影响波长λB 是由于热光效应和热膨胀效应引起的.对式(2)利用Taylor 展开式 λB =n (ε0,T 0)Λ(ε0,T 0)+ Λ9n 9ε+n 9Λ9εT =T 0,ε=ε0Δε+Λ9n 9T +n9Λ9TT =T 0,ε=ε0ΔT + Λ92n 9ε9T +n 92Λ9ε9T +9Λ9T 9n 9ε+9Λ9ε9n 9T T =T 0,ε=ε0.ΔεΔT +Λ92n 9ε2+n 92Λ9ε2T =T 0,ε=ε0(Δε)2+Λ92n 9t 2+n 92Λ9T 2+n 92Λ9T 2T =T 0,ε=ε0(ΔT )2+ (3)由式(3)可知,引起波长ΔλB 漂移的不单单是Δε、ΔT ,还有它们的交叉项及高阶项.高阶项对波长改变的贡献随ΔT 、Δε的增大而增大.当ΔT 、Δε很大时,波长随ΔT 、Δε的变化是非线性的,且已从实验上观察到ΔλB 与Δt 的非线性关系[1].当ΔT 、Δε变化范围不是很大 Ξ收稿日期:2001211216. 基金项目:国家自然科学基金(60072023)和(59907002);天津市光电子联合研究中心、天津市自然科学基金(013601711)资助项目. 作者简介:吕且妮(1966— ),女,博士生. 天津大学学报 第35卷 第4期2002年7月JOURNAL OF TIANJ IN UN IV ERSIT Y Vol.35 No.4 J ul. 2002时,(Δε)2和(ΔT )2的高阶项与前面3项相比可以忽略,故式(3)可写为 ΔλB (ε,T )=K εΔε+K T ΔT +K εΤΔεΔT (4)式中: K ε=Λ9n 9ε+n 9Λ9ε; K T =Λ9n 9T +n 9Λ9T ; K εΤ=Λ92n 9ε9T +n 92Λ9ε9T +9Λ9T 9n 9ε+9n 9T 9Λ9ε=99ε(Λ9n 9T +n9Λ9T )=99εΚT 式中:K ε为应变灵敏度,是与光纤泊松比、弹光系数和纤芯有效折射率及光纤光栅周期有关的量;K T 为温度灵敏度,是与热膨胀系数和热光系数有关的量;K εT 为交叉灵敏度,是交叉敏感项的系数,即与温度、应力都有关的量.它实际上反映了在不同的应变(或温度)时,温度灵敏度(或应变灵敏度)不是一个常数,而是随着应变(或温度)的变化而变化,其大小描述了温度灵敏度(或应变灵敏度)偏离常数的程度. 对于轴向应变作用时,Δε=ΔL /L =ΔΛ/Λ时,式(4)可写成 ΔλB (Λ,T )=KεΔΛ+K ΤΔT +K ΛT ΔΛΔT (5)式中:K ε=(1-P e )λB ; K T =(α+ζ)λB ;K ΛT =Λ99ΛΚT .式中:P e 为有效弹光系数,P e =n 2eff [P 12-γ(P 12+P 11)]/2;P 11和P 12为弹光系数;γ为光纤材料泊松比;α为光纤热膨胀系数,α=1Λd Λd t,ζ为光纤热光系数[2],ζ=1n d nd T 对温度变化范围不大时交叉敏感项系数K εT为[3] K ΛT =Λ99ΛK T =(α+β)(1-P e )-2P e ζ=K T K ε-2P εeζ(6) 从式(6)可知,交叉敏感项系数是光栅周期的函数,它与光纤的热膨胀系数α和热光系数ζ有关,又与光纤的弹光系数P 11、P 12和光纤材料的泊松比γ有关,因此应变2温度同时作用于光纤时,波长漂移不是应变和温度单独作用时产生的波长漂移的简单迭加,还存在着力学量和热学量的相互作用.这个作用反映为交叉灵敏度,其大小刻划了这种相互作用的程度,这就是交叉敏感项的物理意义所在.实验中通过测定在不同应力(温度)情况下的温度灵敏度(应变灵敏度),交叉项的系数也就随之被确定,从而可获得温度、应力的大小. 当光纤布喇格光栅(FB G )受温度和应力分别作用时,光纤光栅波长相应变化为 ΔλB (ε,T )=K εΔε=λB (1-P e )Δε(7) ΔλB (ε,T )=K T ΔT =λB (α+ζ)ΔT (8)2 误差分析 光纤光栅传感测量是利用外界因素引起光栅中心反射波长的漂移,从而求得外界参量的大小.从式(3)可知,FB G 对温度、应力固有的敏感性,从而限制了其实用化.解决这一问题大都基于双波长光纤光栅矩阵运算法[4]的思想.当FB G 同时受外界应力和环境温度作用时,应力、温度的求解方程为 λ=KM 式中:λ=λ1λ2;K =K 1T K 1εK 2T K 2ε;M =tε.(9) 影响温度、应力测量的因素有3个方面:波长λ漂移量测量引入的误差;传感器的特征矩阵K 标定引入的误差;交叉敏感及非线性引入的误差.下面分两种情况进行误差分析.2.1 FB G 受温度、应力同时作用,不考虑交叉项时误差分析 当FB G 受温度、应力同时作用,且设温度和应力引起的波长变化相互独立,在这种条件下,温度、应力的误差是由测量波长λ和特征矩阵K 所引起的.其数学表示式为λ+δλ=[K +δK][M +δM ](10)式中:δλ=δλ1δλ2;δK =δK 1T δK 1εδK 2T δK 1ε;δM =δT δε.λ,K,M 分别表示波长变化、特征矩阵、温度、应力测量量的真实值,δλ,δK,δM 为误差值,δM 矩阵的元为 δT =(K 1εδK 2T -K 2εδK 1T +δK 2T δK 1ε-δK 1TδK 2ε)T Δ+Δ+δλ1K 2ε-δλ2K 1ε+δλ1δK 2ε-Δ+→←δλ2δΚ1ε+(K 1εδK 2ε-K 2εδK 1ε)εΔ3(11) δε=(K 2T δΚ1ε-K 1T δK 2ε+δΚ1T δK 2ε-δK 2T δK 1ε)εΔ+Δ3+δλ2K 1T -δλ1K 2T +δλ2δK 1T -Δ+→←δλ1δΚ2Τ+(K 2T δK 1T -K 1T δK 2T )T Δ3(12) Δ=K 1T K 2ε-K 1εK 2T(13)・624・天津大学学报 第35卷 第4期 Δ3=K 2εδK 1T +K 1T δK 2ε-K 2T δK 1ε-K 1εδΚ2T +δK 1T δK 2ε-δK 1εδK 2T (14) 如果忽略波长测量误差,只考虑特征矩阵误差(且令δK ij =K ij δij ;|δij |max <|γ|(i =1,2;j =T ,ε)|Δ3|ν|Δ|)[5],则相对测量误差的最大值为|δT T|max ≈ |K 1εK 2T |+|K 2εK 1T |+2|K 2εK 2ε|・|ε/T ||K 1T K 2ε-Κ1εK 2T ||γ|(15)|δεε|max ≈ |K 2T K 1ε|+|K 1T K 2ε|+2|K 2T K 1T |・|T/ε||K 1T K 2ε-Κ1εK 2T ||γ|(16)2.2 F BG 受温度、应力同时作用,考虑交叉项时系统误差分析 当F BG 受温度、应力同时作用,且考虑交叉项时,决定温度、应力大小的特征方程为λ+δλ=[K +δK][M +δM ]+F (17)式中:F 表示交叉敏感项. F =K 1εT K 2εT(ε+δε)(T +δT )(18)则温度、应力的误差大小(忽略高阶项K i εT δT ,Κi εTδε,Κi εΤδK ij ,δλi δK ij )为δΤ≈(K 1εδK 2ε-K 2εδK 1ε)ε+Δ+→ ←K 2εδK 1T +δK 2T +δK 1ε-εK 1T δK 2ε)T Δ3+ δλ1K 2ε-δλ2K 1ε+(K 1εK 2εΤ-K 2εK 1εT )εΤΔ+Δ3(19)δε≈(K 2T δK 1ε-K 1T δK 2ε+δK 1T δK 2ε-Δ+→ ←δK 2T δK 1ε)ε+(K 2T δK 1T -K 1T δK 2T )T Δ3+δλ2K 1T -δλ1K 2T +(K 1T K 2εT -K 2T K 1εT )T εΔ+Δ3(20) 如果略去波长引入的误差,则相对误差最大值为|δT T|max ≈ |K 1εK 2T |+|K 2εK 1T |+2|K 1εK 2ε|・|ε/T ||Κ1T K 2ε-K 1εK 2T |・ |γ|+(|K 1εK 2εT -K 2εK 2εT |)|ε||K 1T K 2ε-K 1εK 2T |(21)|δεε|max ≈ |K 2T K 1ε|+|K 1T K 2ε|+2|K 2T K 1T |・|T/ε||K 1T K 2ε-K 1εK 2T |・ |γ|+(|K 1T K 2εT -K 2T K 1εT |)|T ||K 1T K 2ε-K 1εK 2T |(22) 将式(15)、(16)、(21)和(22)相比较,可以看出式(21)和式(22)中的第2项为交叉敏感引入的误差,而且随着温度、应力的增大而增大. 采用文献[4]中数据,两个光栅的Bragg 波长分别为λ1=1300nm ,λ2=850nm ;特征矩阵元分别为K 1T =8.72pm/℃,K 2T =6.30pm/℃,K 1ε=0.96pm/με,K 2ε=0.59pm/με.文献[3]中K 1εT =2.31×10-6pm/(℃・με),K 2εT =0.62×10-6pm/(℃・με).利用本文中的误差公式分别计算出应力、温度误差曲线图.图中C 2S 表示交叉敏感项(cross 2sensitivity ),特征矩阵误差为100,图1为温度T =30℃时,应力误差曲线;图2为应变ε=1000με时温度误差曲线.图1 应力误差曲线图Fig.1 Curve of strain errors图2 温度误差曲线图Fig.2 Curve of temperature errcors由图可知,当温度、应力很大时,如果忽略交叉项作用,误差将会更大,Farahi [6]等用偏振F 2P 光纤干涉仪测得的实验结果,敏感项系数K 1εT 和K 2εT 分别为- 2.042rad/(℃・με)和- 1.986rad/(℃・με).但对于光纤光栅传感测量中的交叉项系数的测定,尚未见报导.・724・ 2002年7月 吕且妮等:光纤光栅传感测量中的交叉敏感研究3 结 语 从物理机制的角度分析了光纤光栅传感测量中引起交叉敏感产生的原因,并且给出了考虑和不考虑交叉敏感情况下的误差数学表达式.通过误差分析可知,当温度、应力很大时,必须考虑交叉敏感;当温度、应力比较小时,交叉项可以不予以考虑.对于轴向应变,交叉敏感项系数主要依靠传感长度.因此,对于光纤光栅应变仪必须考虑所用的光纤长度.而对于高阶非线性引入的误差有待进一步的分析.总之,交叉敏感问题是光纤光栅传感器的固有问题,在实际应用中必须设法加以解决.参考文献:[1] Fei Luo ,Hernandez 2Cordero J ,Morse T F.Multiplexedfiber 2optic Bragg stack sensors (FOBSS )for elevated tem 2peratures[J ].IEEE Photon Tech Lett ,2001,13(5):514-516.[2] 廖延彪.光纤光学[M ].北京:清华大学出版社,2000.[3] 贾宏志,李育林,忽满利,等.光纤Bragg 光栅温度和应变的灵敏度分析及应用探讨[J ].激光杂志,1999,20(5):12-14.[4] Xu M G ,Archambault J L ,Reekie I ,et al ,Discriminationbetween strain and temperature effects using dual -wave 2length fiber grating sensors [J ].Electron Lett 1994,30(13):1085-1087.[5] Jin W ,Michie W C ,Thursby G ,et al ,Simultaneous mea 2surement of strain and tem perature :error analysis[J ].Opt Eng ,1997,36(2):598-609.[6] Farahi F ,Webb D J ,Jones D C ,et al.,Simultaneous mea 2surement of temperature and strain :Cross 2sensitivity con 2siderations[J ].J Lightwave Technol ,1990,8(2):138-142.Cross 2Sensitivity of Fiber G rating Sensor MeasurementsL U Qie 2ni ,ZHAN G Y i 2mo ,L IU Tie 2gen ,L I Chuan ,CHEN Xi 2ming ,HE Jia 2li(K ey Laboratory of Optoelectronics Information Science and Technology ,EMC ,The Institute of Optoelectronics and Precision Instrument Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China )Abstract :On the basis of the equation of Bragg gratings ,the physical mechanics of the cross 2sensitivity from simultaneous measurement of strain and tem perature with optical fiber Bragg grating are studied.The errors ,with and without cross 2sensitivity consideration ,are discussed and mathematical ex pressions are also given.With the experimental data ,the errors induced by the cross 2sensitivity are estimated ,and the curve of strain errors and tem perature errors are given.K eyw ords :fiber grating sensor ;cross 2sensitivity ;error analysis・824・天津大学学报 第35卷 第4期 。
光纤光栅传感测量中交叉敏感问题及解决方案
光纤光栅传感测量中交叉敏感问题及解决方案
李硕;黄俊斌;顾宏灿
【期刊名称】《舰船电子工程》
【年(卷),期】2011(031)007
【摘要】目前已有的基于光栅Bragg光栅的各种传感器,基本上都是直接或间接的利用应变和温度改变光纤的中心波长,以达到测试所需被测量的目的.但是中心波长不仅会随测试点的应变发生改变,还会随着环境温度的波动而发生变化,即存在温度和应变交叉敏感的问题.解决温度、应变交叉敏感问题即实现温度和应变的分离检测是光纤Bragg光栅应变传感器得到实际应用的重要前提[1].文章从理论上分析了引起交叉敏感的物理机制,较为全面地介绍了几种主要的解决方案,并对其主要特点进行了简单的分析.
【总页数】4页(P126-129)
【作者】李硕;黄俊斌;顾宏灿
【作者单位】海军工程大学兵器系武汉430033;海军工程大学兵器系武汉430033;海军工程大学兵器系武汉430033
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.14
【相关文献】
1.光纤光栅传感器在桥梁应变测量中交叉敏感问题的研究 [J], 耿伟霞;王天滑;王亚民
2.光纤光栅传感检测中交叉敏感问题的研究 [J], 毕重颖;雷飞鹏
3.光纤光栅传感器交叉敏感问题解决方案 [J], 陈丽娟;贺明玲;王坤
4.光纤光栅传感测量中的交叉敏感研究 [J], 吕且妮;张以谟;刘铁根;李川;陈希明;贺家李
5.光纤光栅传感测量中的交叉敏感机制及其解决方案 [J], 刘云启;郭转运;刘志国;董孝义
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光纤光栅传感器在桥梁应变测量中交叉敏感问题的研究
由（） １式可 以看 出，Ｂ ａ ｇ波 长 随 和／的改变 而改变 。由于应变（ ｒｇ １ 应力） 温度 的变化都将 导致 和 和 ／发生改变 ，所 以 Ｆ １ ＢＧ对 于应变和 温度都是 敏感的 。 设应变和温 度分别 引起 Ｂ ａｇ波长 的变 化是相 互独立 假 ｒｇ
的，则两者 同时变化 时 ，Ｂ ａ ｇ波长的变化 可以表示为 ： ｒｇ
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与 开 发
三 、应 变及温度 交叉 敏感 问题解 决方案 消除或 区分应变 及温度 交叉敏 感 的方案很 多 … ‘ ， 目前主 要有三 类 ：双波 长矩 阵法 、双参 量矩 阵法 和温度 补
偿法 。
只 感受梁体 内温度变 化 ，具体做 法如 图 ２ 。 在 低于使用 温度 的环 境下 ，用一根细 铝管将光栅 ２ 套 住 ，光纤 光栅拉 直 置于 管子 的 中心 轴线 ，两端 用环 氧树 脂 与管 壁牢 牢粘接 ，而后 铝管两 端各 套上 一个端 帽 ，并在 铝 管表 面涂 上一层 润 滑剂 ，使其 不 能与周 围混凝 土粘 结 ，这 样 铝管 可 以自由的伸长或缩短 ，其轴 向变形 不受 限制。 经 过 以上封 装 ，当铝 管周 围混凝 土温 度改 变 时，铝 管 的温 度也会 随之 改变 导 致管子 伸长 或缩 短 ，因光栅 两头 用
监 测中应用光纤 光栅 传感技术 ，如海 口世纪大桥 、 巴东长江大桥 等 。 但是光 纤光栅传感器 对温度 和应 变都是敏 感的 ，即温度 、应 力均 能引起布 拉喇光 栅 中心波 长 的漂 移 ，这 就 是交叉敏感 。在进行应 变测量 时，很 多情 况下往往 是忽略 了温 度 的影 响，但 是在精确 的测量 中 ，需采用有
中图分类 号 ：Ｔ ２ ２１ Ｐ １ ．４
文 献标识码 ：Ａ
光纤光栅传感测量中交叉敏感问题及解决方案
（ ） Ｐ ／ Ｂ 组合 法 ３Ｌ Ｇ Ｆ Ｇ
基本 原理 是 当两个 Ｆ Ｇ 和 一个 长 周光 纤 光栅 Ｂ Ｌ Ｇ组 合 之 后 ， Ｐ 的 中心 波 长 的移 动会 调 制 两 Ｐ ＬＧ 个 Ｆ Ｇ 的光 强值 ， 时 长周 期 光 纤 光 栅 的应 变 与 Ｂ 同
波长 响应 和温 度 与 波长 响应 与 光 纤 Ｂ ａ ｇ光 栅 有 ｒｇ 明显 的 区别 。即 Ｌ Ｇ 温 度 敏 感 度 远 大 于 Ｆ Ｇ， Ｐ Ｂ 应
Ｔ ２ ２ １ Ｐ １．４ 中 图 分类 号
Ｉ ｓ ｅ ａ ｄ Ｓｏ ｕ ｉ ｎｓ ｏ ｏ ｓ ｓ ｎｓ ｔｖ ｔ ｆ ｓ ｕ ｎ ｌ ｔｏ ｆＣｒ ｓ — ｅ ｉ ｉ ｉｙ ｏ
Ｆｉ ｅ ｒ ｔｎ ｎｓ ｒ Ｍ ｅ ｕ ｅ ｅ ｔ ｂ ｒ Ｇ ａ ｉ ｇ Ｓｅ ｏ ａｓ ｒ ｍ ｎ ｓ
即存在温度和应变交叉敏感 的问题 。解决温度 、 应变交叉敏感问题即实现温度和应变 的分离检测是光纤 Ｂａ ｇ ｒｇ 光栅应变传
感器得到实际应用 的重要前提ｌ 。文章从理论上分 析了引起交叉 敏感 的物 理机制 ， 为全 面地 介绍 了几种 主要的解决方 ＿ １ ］ 较 案， 并对其主要特点进 行了简单 的分析 。 关键词 光纤 Ｂ ａ ｇ ｒｇ 光栅传感器 ； 交叉敏感 ； 分离检测 ；同时测量
分 应力 和温度 所 分 别 引起 的被 测 量 量 的变 化 。 因
此在 实际 工程应 用 中必须采取 相应 的措施 ， 本文 从 交叉 敏感 问题 的物理机 制机理 出发 ， 几种 主要 的 对
其 中 ｎｆ ｅ 为有效 折 射 率 ， 为光 栅 周 期 ， 为 中心 ｆ 以 Ａ
反射波 长 。
总第 ２５ ０ 期
舰 船 电 子 工 程
光纤光栅传感器交叉敏感问题研究
Ｖ ０ ．２ Ｎ ｏ １ ８ ．５ Ｓｅ ｐ． ２ ７ ００
光 纤 光， 义君 邓
（ 电子 科 技 大学 光 电 信 息 学 院 ， 四川 成 都 ６ ０ ５ ） １ ０４
摘
要 ：交叉敏 感 问题是 光 纤光栅 传感 器在 实际应 用 中需面对 的一 个 关键 问题 。 光 纤Ｂ ａ ｇ光 从 ｒｇ
（ ｃ ｏ ｌｏ ｔ — ｅ ｔ ｏ ｉ Ｉ ｆ ｒ ｔ ｎ，Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｅ ｔ ｏ ｉ Ｓ ｈ ｏ ｆＯｐ ｏ Ｅｌ ｃ ｒ ｎ ｃ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｏ ｉ ｅ ｓ ｔ ｆＥｌｃ ｒ ｎ ｃ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｉ ａ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ｆＣｈ ｎ ，Ｃｈ ｎ ｄ １ ０ ４，Ｃｈ ｎ ） ｅ ｇ ｕ６ ０ ５ ｉａ
结合相 对误 差表 达式和 曲线 图分 析讨论 了交叉敏 感 对测 量 带来的影 响 。 结果表 明在 温度 和应 力测 量 中随着测 量 温度或 者应 变 变化 量 的增 大 ， 忽略 交 叉敏 感项 而带 来的测 量误 差越 来越 明显 。
关键 词 ：光 纤光栅 传 感 器； 交叉敏 感 ； 灵敏度 ； 差 分析 误
ｉ ｓ ａ ｉｈｅ ｓ ｅ ｔ ｂｌｓ ｄ． Ｔｈｅ ｅ ｒ ｒ ａ ａ ｙ ｉ ｈ ｑ ｔｏｎ ｗａ ｍａ ｅ ｗｉｈ ｔ ｅ ｕａ — ｖ ｌ ｎ ｈ ｍａ ｒｘ ｒ ｏ ｎ ｌ ｓ ｓ ｏｆ ｔ ｅ ｅ ｕａ ｉ ｓ ｄ ｔ ｈ ｄ ｌｗａ ｅｅ ｇｔ ｔ ｉ ａ ｇ ｒｔ ｌ ｏ ｉｈｍ ｎｄ ｔ ｅａ ｉ ｅ ｅ ｒ ｒ ｃ ｖ ｓ ｏ ｅ ａ ｈｅ ｒ ｌｔｖ ｒ ｏ ｕｒ ｅ ｆ ｔ ｍｐｅ ａ ｕｒ ｎ ｓｒ ｉ ｒ ｂｔ ｉ ｄ ｉ ｈ ａ ｅ ｏ ｒ ｔ ｅ ａ ｄ ｔ ａｎ ｗｅ ｅ ｏ ａ ｎｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ｓ ｆ ｃ ｏ ｓ ｓ ｎｓｔｖ ｔ ｒ ｓ — ｅ ｉｉ ｉｙ． Ｔｈｅ ｅ ｆ ｃ ｓ ｆ ｔ ｒ ｓ — ｅ ｉｉ ｉｙ ｏｎ ｔ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｆｅ ｔ ｏ ｈｅ ｃ ｏ ｓ ｓ ｎｓｔｖ ｔ ｈｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｗｅ ｅ ｉ ｃ ｓ ｄ ｎｄ ｒ ｄ ｓ ｕｓ ｅ ａ ａ ａ ｙ ｅ ｃ ｏ ｄｉ ｇ ｔ ｈｅ ｅ ｒ ｓ ｉ ｓ ａ ｄ ｃ ｖ ａ ａ ｏ ｈｅ ｒ ｌｔｖ ｒ ｏｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ａ ｃ ｒ ｎ Ｏ ｔ ｘｐ ｅ ｓｏｎ ｎ ｕｒ ｅ ｄｉｇｒ ｍ ｆｔ ｅ ａ ｉ ｅ ｅ ｒ ．Ｔｈｅ ｒ ｓ ｔｓ ｗｓ ｅ ｕｌ ｈｏ ｔ ａ ｔ ｅ ｅａ ｉ ｅ ｒ ｏｒ ｏ ｔ ｍｐｅ ａ ｕｒ ｏｒ ｔ ａ ｎ ｈ ｔ ｈ ｒ ｌ ｔｖ ｅ ｒ ｓ ｆ ｅ ｒｔ ｅ ｓ ｒ ｉ ｇｒ ｗ ｓｇｎ ｆｃ ｎ ｌ ｗｉｈ ｈ ｉ ｒ ａ ｅ ｏ ｉ ｉｉａ ｔｙ ｔ ｔ ｅ ｎｃ ｅ ｓ ｏｆ ｔ ｍｐｅ ａ ｕｒ ｔ ａ ｎ ｖ ｒａ ｅ ｄ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍｅ ｓ ｅ ｎｔｏｆｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎｄ ｓ ｒ ｓ ｅ ｒ ｔ ｅ ｏｒｓ ｒ ｉ ａ ｉｎｃ ｕｒｎ ｈ ａ ｕｒ ｍｅ ｅ ｅ ａ ｕ ｅａ ｔ ｅ ｓ，ａｎ ｈｅｃ ｏ ｓ ｄｔ ｒ ｓ —
光纤光栅传感器温度和应变交叉敏感问题解决方案
光纤光栅传感器温度和应变交叉敏感问题解决方案光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅原理的传感器，可用于测量温度和应变。
然而，光纤光栅传感器的温度和应变测量存在交叉敏感问题，即测量温度时会受到应变的影响，测量应变时会受到温度的影响。
为了解决该问题，可以采取以下方案。
1.使用多个光纤光栅传感器：首先，在测量温度和应变时使用独立的光纤光栅传感器。
这样可以避免不同物理量之间的相互干扰。
温度和应变分别使用不同的光纤光栅传感器进行测量，通过合理的连接和布置，可以实现分离的测量。
2.信号处理和补偿算法：其次，在测量结果的处理方面，可以采用信号处理和补偿算法来消除温度和应变交叉敏感引起的误差。
通过记录并分析光纤光栅传感器的输出信号，可以建立温度和应变之间的关系模型，并通过补偿算法来减少误差。
这样可以在一定程度上提高测量的准确性。
3.光纤光栅材料和结构设计：此外，还可以通过优化光纤光栅的材料和结构设计来减小温度和应变交叉敏感的影响。
选择合适的光纤材料，具有低热膨胀系数和低线性应变敏感性，可以减少温度和应变对光纤的影响。
同时，合理设计光纤光栅的结构，如改变光纤直径、长度、光栅周期等参数，可以提高传感器的灵敏度和稳定性。
4.传感器的预热和稳定时间：在实际使用中，还应给传感器留出足够的预热和稳定时间。
由于温度和应变的变化通常不是瞬时的，给传感器足够的时间响应和稳定可以减小交叉敏感的影响。
通过控制预热和稳定时间，可以提高传感器的准确性和可靠性。
综上所述，光纤光栅传感器温度和应变交叉敏感问题的解决方案包括使用多个光纤光栅传感器、信号处理和补偿算法、优化材料和结构设计以及控制预热和稳定时间。
通过采用这些方案，可以提高测量的准确性和可靠性，从而满足实际应用需求。
光纤bragg光栅应变、温度交叉敏感问题解决方案
光纤bragg光栅应变、温度交叉敏感问题解决方案光纤Bragg光栅是一种利用光纤中的布拉格衍射效应来实现应变和温度测量的传感器。
然而，在实际应用中，由于光纤Bragg光栅的应变和温度交叉敏感问题，常常导致测量结果的不准确和误判。
为了解决这一问题，人们不断进行研究和探索，提出了一系列的解决方案。
本文将介绍几种常见的解决方案，并对其优缺点进行评述。
一、优化光纤布拉格光栅传感器的设计传统的光纤Bragg光栅传感器通常采用单螺旋式布置的光纤，使得光纤在应变和温度作用下出现交叉响应。
为了解决这一问题，一种常见的解决方案是使用双螺旋式布置的光纤，通过对两个光栅信号进行差分处理，消除应变和温度的交叉响应。
这种方案可以有效提高测量的精度和准确性，但由于需要增加光纤的布置和信号处理的复杂性，成本较高。
二、引入额外的温度补偿方法另一种常见的解决方案是引入额外的温度补偿方法，通过对温度进行实时测量，并将测得的温度值作为修正因子，减小温度对应变测量的影响。
例如，可以通过在光纤附近布置温度传感器，并将其与光纤Bragg光栅传感器的测量信号进行比较，从而得到温度修正因子。
这种方法可以在一定程度上消除温度的交叉响应，提高应变测量的准确性，但需要增加额外的传感器和信号处理的复杂度。
三、采用多路光纤布拉格光栅传感器系统为了解决光纤Bragg光栅传感器应变和温度交叉敏感问题，人们提出了采用多路光纤布拉格光栅传感器系统的方案。
具体来说，可以在同一根光纤上布置多个Bragg光栅，每个Bragg光栅对应不同的应变或温度区域。
通过对这些光栅信号的测量和分析，可以得到更准确的应变和温度信息。
这种方案可以有效解决应变和温度交叉敏感问题，提高测量的精度和准确性。
然而，由于需要对多路光栅信号进行同时处理和分析，对信号处理的要求较高。
四、基于信号处理算法的解决方案为了进一步提高光纤Bragg光栅传感器的测量精度和准确性，研究者们开始探索基于信号处理算法的解决方案。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
第09卷 第3期 中 国 水 运 Vol.9 No.3 2009年 3月 China Water Transport March 2009收稿日期：2009-03-10作者简介：汪冰冰（1984-），武汉理工大学硕士研究生。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题汪冰冰，李 琪，王 宁（武汉理工大学 光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室，湖北 武汉 430070）摘 要：解决光纤光栅传感器波长信号的交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是光纤光栅传感器应用中的一个必须面对的问题。
文章从理论上分析了引起交叉敏感的物理机制，全面地介绍了国内外各种解决此问题方案及最新进展，并对各种方案的其主要特点进行了分析。
关键词：光纤光栅；传感；交叉敏感中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2009）03-0101-02引言作为传感元件，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、重复性好、质量轻、探头尺寸小、传输距离远等优点，目前已经在航天、航海、核工业、石油开采、电力系统、医疗、科学研究等领域得到了广泛的应用。
光纤光栅传感器的传感信号为波长调制，这一传感机制使其克服了受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响。
但是光纤光栅传感器的波长信号中既包含了温度信息也包含了应变信息，如何将温度信息和应变信息分离开来是光纤光栅传感器技术中的一个关键问题。
一、物理机制根据耦合模理论可知，光纤布拉格光栅（Fibber Bragg Grating FBG）中心反射波长（Bragg 波长）为：B λ=2n eff Λ （1） 其中n eff 为导模的有效折射率，Λ为光栅周期。
由（1）式可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随n eff 和Λ的改变而改变，而光纤布拉格光栅对于应变和温度都是敏感的，应变影响B λ是由弹光效应和光纤光栅周期的变化引起的，温度影响B λ则是由热光效应和热膨胀效应等引起的。
光纤Bragg光栅应力传感中温度交叉敏感问题研究
Ｂｒ ｇ ｒ ｔｎ （ ＢＧ）ｓ ｒ ｉ ｅ ｓｎ ． Ｔｈ ｕ ｖ ｓ ｏ ｈ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｅ ｆ ｃ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｗｉｈ ａ ｇ ｇ ａｉｇ Ｆ ｔａｎ ｓ ｎ ｉｇ ｅ ｃ ｒ ｅ ｆｔ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ａ ｉ ｆｅ ｔ ｗｅ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ｔ ｏ
光 纤 Ｂ ａ ｇ光 栅 应力 传 感 中温 度 ｒｇ 交叉 敏感 问题 研究
魏 鹏 ，李 丽君 ，郭 俊 强 ，初 艳 玲
（ 东科 技 大 学 信 电学 院 ，山东 青 岛 ２ ６ １ ） 山 ６５ Ｏ
摘 要 ： 针 对 光 纤 Ｂ ａ ｇ光栅 应 力传 感 中温度 交叉敏 感 的 问题 ， 计 了一 种 有效 的无 源 温度补 ｒｇ 设 偿 方法和补偿 结 构 。通过 理论 模拟 ， 析 了 Ｍ 值 不 同 时补偿 效果 曲线 的 变化 ， 中得 到 了补偿 效 分 从 果 最好 时的 Ｍ 值 ； 出 了不 同预 应 变情 况 下的 温度特 性 曲线 ， 中找 出 了温度 特 性被 完全 补偿 时 得 从
的预应 变的值 ； 析 了温度补偿 中 出现过补 偿和 欠补偿 现 象的 原 因。 分 通过 该 方法 ， 效地解 决 了光 有
纤Ｂ ａ ｇ光栅 传 感 中的温度 交叉敏 感 问题 。 ｒｇ 温度补偿 后 可 以满足 对光纤 光栅 温度稳 定性要 求较 高 的光 纤传 感、 通信 等领域 的 需要 。
ｅ ｓ ｉ ｉ ＦＢＧ ｓ ｎ ｉ ｗａ ｅ ｆ ｃ ｉ ｅ ｙ ｅ ｏｌ ｅ ｖ ａ ｈｉ ｍ ｅ ｈｏ ｘｉｔｎｇ ｎ ｅ ｓｎｇ ｓ ｆｅ ｔｖห้องสมุดไป่ตู้ｌ ｒ ｓ ｖ ｄ ｉ ｔ ｓ ｔ ｄ， ａ ｄ ｕ ｈ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｓ ｃ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ
ｃ ｍ ｐ ｎｓ ｔｏｎ ｃ ｎ ｍ ｅ ｔ ｔ ｅ ｄ ｍ ａ ｄ ｏ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｔ ｂｉｉｙ ｉ ｉ ｅ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ ｃ ｏ ｅ ａ ｉ ａ ｅ ｈ ｅ ｎ ｆｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ ｓ ａ ｌｔ ｎ ｆｂ ｒｓ ｎｓｎ ｎ ｏｍ ｍ ｕｎ ｃ ｔｏ ｉ ａ ｉ ｎ． Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｆｂ ｒＢｒ ｇ ｒ ｔｎ ；ｃ ｏ ｓ ｓ ｎ ｉｉ ｉｙ；ｔ ｍ ｐｅ ａ ｕｒ ｏ ｐｅ ａ ｉ ｉｅ ａ ｇ ｇ ａｉｇ ｒ ｓ ｅ ｓｔｖ ｔ ｅ ｒ ｔ ｅｃ ｍ ｎｓ ｔｏｎ
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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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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：
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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：
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
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
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题