悬臂梁结构光纤光栅温度自补偿位移传感器实验研究
光纤Bragg光栅电流传感器的温度补偿研究
Ａｂｔ ｃ：Ａ ｎｖｌ ｂｒＢａｇｇａｎ （ Ｂ ｓｒ ｔ ｏｅ ｆ ｅ ｒｇ ｒｔ ｇ Ｆ Ｇ）ｆ ｒｅｃｒ ｎ ｓｎｏ ｏｆ ｕａ ｏ ａｅ ｎＧ ｒｓｎｅ ． ａ ｉ ｉ ｏ ｌ ｇ ｕｒ ｔ ｅ ｓｒ ｎ ｇｒｔ ｎｂｓｄｏ ＭＭ ｉ ｐｅｅｔ ｒａ ｅ ｃ ｉ ｉ ｓ ｄ
Ａ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｓ ｈ ｍｅ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ． ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｏ ９ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｃ ｅ ｓ ｅ ｉｎ ｄ Ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ｔｉ ｈ ａ ｇ ｆ０￣ ０℃ ． ｅ ｏ ｓ ｈ ｔ ｈ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｐｅ ａ ｕ ｅ ｃ ｍ ｐ ｎ ａ ｉ ｎ ｏ ｓ ａ ｃ ｎ ｔｍ ｒ ｔ ｒ ｏ ｅ ｓ ｔｏ ｆ ｉ ｅ ａ ｇ ｇ ａ ｉ ｕ ｒ ｎ ｅ ｓ ｒ ｆｂ ｒ Ｂｒ ｇ ｒ ｔｎｇ ｃ ｒ ｅ ｔ ｓ ｎ ｏ
ＴＡ ｉｇ Ｑ Ａ ｎ — ｎ Ｉ Ｎ Ｊｎ ， Ｕ Ｎ Ｗａ ｇｍｉ，ＷＡ Ｇ Ｈ ， Ｉ Ｎ ｉ ｉ ｇ Ｎ ｕ Ｊ Ｇ Ｂ— ａ Ａ ｑｎ
（ 西北工业大学 理学 院 陕西省光信 息技术重点实验室 教育部空间应用物理与化学重点实验室 。 陕西 西 安 ７ ０７ ） １ ０２ 摘 要 ：在基于超磁致伸缩材料 Ｔ ¨。 ｙ Ｆ ｂ Ｄ 。 ｅ 。的光纤 Ｂａｇ ｒｇ 光栅 （ Ｂ 大 电流传感器 的种温度补偿 的方 案 ， 决 了 Ｆ Ｇ的温度一 变交叉敏 感问题 ， 高了传感 器 解 Ｂ 应 提 的精度。实验结果表明 ： ０ ９ ℃的温度变化范围 内， 感器 的 Ｂａｇ 在 －０ 该传 ｒ 波长 差与 电流变化具 有较好 的 ｇ
Ｋｅ ｏ ｄ ：ｆ ｅ ｒｇ ｒｔ ｇ（ Ｂ ；ｃｒ ｎ ｅｓｒｍａｎ ｔ ｔｃ ｖ ｆ ｃ；ｔ ｐ ｒｔ ｅｃｍｐｎａｏ ；ｒ— ｙｗ ｒｓ ｉ ｒ ａｇｇａｉ Ｆ Ｇ） ｕｒ ｔ ｎｏ； ｇｅ ｓ ｉｉｅｅ ｅｔ ｅ ｅａ ｒ ｏ ｅｓｔｎ ｅ ｂ Ｂ ｎ ｅ ｓ ｏ ｒｔ ｆ ｍ ｕ ｉ
FBG光纤光栅的应变和温度传感特性研究与实验验证
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 (4)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (5)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (6)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。
悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的特性研究的开题报告
悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的特性研究的开题报告
尊敬的评委老师：
我是XXX，我的论文题目是《悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的特性研究》，我很荣幸能在这里向大家介绍我的研究题目。
近年来，随着工业技术的不断发展，传感器在生产线上的作用变得越来越重要。
光纤光栅传感器是一种新型的传感器技术，具有高灵敏度、小型化和抗干扰能力强等
优点。
其中，悬臂梁式光纤光栅加速度传感器由于具有精度高、响应速度快、易于制
造和使用等优点而备受关注。
其主要结构由光纤光栅和悬臂梁组成，可用于地震预警、飞行器姿态控制、车辆运动检测等。
本研究主要是对悬臂梁式光纤光栅加速度传感器进行性能研究，主要包括以下三个方面：
1. 基于MATLAB的仿真模拟：通过MATLAB软件对悬臂梁式光纤光栅加速度传
感器进行仿真模拟，研究其工作原理、灵敏度等性能参数，探讨加速度检测敏感度和
检测频率响应等特性。
2. 悬臂梁加速度传感器的制备：根据理论研究结果，制备出悬臂梁式光纤光栅加速度传感器原型。
通过对其物理性能测试和电路调试，分析并优化其精度和灵敏度。
3. 实验评估：将悬臂梁式光纤光栅加速度传感器应用到地震预警、飞行器姿态控制、车辆运动检测等场景中，对其实际性能进行评估。
通过对实验结果的分析，进一
步验证其实用性。
基于上述研究方向，本篇论文旨在从理论到实践全方位展示悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的性能优势和应用前景，为后续传感器技术的研究和发展提供参考。
最后，谢谢评委老师的关注和支持，期待今后的交流和指导。
光纤光栅位移传感器
未来研究方向
对传感器能同时感测应变和温度变化的研究 对信号解调系统的研究 对光纤光栅传感器的封装技术、温度补偿技术、光
源稳定性、传感系统网络化等实际应用研究
pe为有效弹光系数?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ll?????????1bebp??????系统实现光纤光栅位移传感器结构图非接触磁耦合光纤光栅位移传感器系统实现基于啁啾光纤光栅的温度自补偿位移传感器系统实现双三角形悬臂梁传感器结构示意图系统实现温度自补偿位移传感器系统结构图具有温度补偿的光纤位移传感器应用举例边坡监测应用举例应用举例将光纤光栅位移传感器进行组网后可以方便地对边坡的不安全点软弱面和滑体进行实时监测未来研究方向?对传感器能同时感测应变和温度变化的研究?对信号解调系统的研究?对光纤光栅传感器的封装技术温度补偿技术光源稳定性传感系统网络化等实际应用研究
系统实现
光纤光栅位移传感器结构图
系统实现
非接触磁耦合光纤光栅位移传感器
系统实现
基于啁啾光纤光栅的温度自补偿位移传感器
双三角形悬臂梁传感器结构示意图
系统实现
温度自补偿位移传感器系统结构图
具有温度补偿的光纤位移传感器
应用举例
边坡监测
应用举例
应用举例
将光纤光栅位移传感器进行组网后可以方便地对边 坡的不安全点、软弱面和滑体进行实时监测
1 neff 2 P 1 P 12 P 11 e 2
ε为轴向应力，μ是纤芯材料泊松比，P11、P12是弹光系 数。 Pe 为有效弹光系数
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
L LBຫໍສະໝຸດ B 1 Pe
基于啁啾光纤光栅的温度自补偿位移传感器
第28卷 第4期光 学 学 报V ol.28,N o.42008年4月ACTA OPTICA SINICAApril,2008文章编号:0253 2239(2008)04 0779 04基于啁啾光纤光栅的温度自补偿位移传感器张锦龙1,2余重秀1 王葵如1 曾军英1(1北京邮电大学电子工程学院,北京100876;2河南大学物理与电子学院,河南开封475001)摘要 基于双三角结构的悬臂梁,提出了一种使用啁啾光纤光栅测定位移的方法。
悬臂梁受到应力时引起刚性粘接在悬臂梁上的啁啾光栅反射谱带宽压缩,通过测量反射谱带宽进行位移的测量。
该结构克服了位移测量时温度的交叉敏感问题,温度变化引起反射谱整体移动但不会改变带宽。
测试结果表明该传感器具有较高精度、良好的线性和可重复性等优点。
关键词 光纤光学;啁啾光纤光栅;悬臂梁;温度补偿中图分类号 T N 253 文献标识码 A收稿日期:2007 07 03;收到修改稿日期:2007 10 31基金项目:国家自然科学基金(60677003)、北京市教委共建项目(XK100130637)和北京邮电大学博士启动资金资助课题。
作者简介:张锦龙(1977-),男,河南开封人,讲师,博士研究生,主要从事光纤传感、光纤通信等方面的研究。
E mail:ZJL @导师简介:余重秀(1946-),女,教授,博士生导师,主要从事光纤通信、光交换、光互连及光码分多址、光纤传感、光信息处理等方面的研究。
E mail:cxyu@Displaceme nt Se nsor with Te mperature Compe nsation Based onChirp Fiber GratingZhang Jinlong 1,2 Yu Chongxiu 1 Wang Kuiru 1 Zeng Junying 11School of Elect r onic En gineer ing ,Beijin g Un iver sity of Posts a nd T elecom m un ica tion ,Beijing 100876,Chin a2School of Phy sics an d Electr on ics ,Hena n Un iver sity ,Kaif eng ,Hena n 475001,Chin aAbstract A way to measure displac ement with chirp fiber grating is proposed based on beam cantilever.When the strain is acting on the cantilever beam,the reflection spectrum of the chirp grating pa sted on the cantilever beam is c om pressed and the displacement can be measured acc ording to the bandwidth of the reflection spectrum.The structure resolves the cross sensitization of the temperat ure to the displacement measurement.The variation in temperature results in the displacement of the whole reflection spectrum but does not change the bandwidth.The test result shows that this sensor has high accuracy,well linearity and repeata bility.Key wo rds fiber optics;c hirp fiber grating;cantilever beam;tem perature compensation1 引 言光纤光栅传感器以其成本更低,更容易复用和容易实现多参量测量等优点而越来越受到人们关注。
双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器
双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器
李伟; 李川
【期刊名称】《《微计算机信息》》
【年(卷),期】2011(027)009
【摘要】位移测量装置利用测量杆通过楔形块作用在固定于底座的等强度悬臂梁上,其中,光纤Bragg光栅粘贴于其中一块等强度悬臂梁外表面的中心线处。
在测量中,当测量杆产生位移时,会带动楔形块产生相应的位移,并促使等强度悬臂梁的自由端产生扰度变化,从而导致粘贴于等强度悬臂梁外表面的光纤Bragg光栅产生波长移位。
实验表明,当位移增加或者减少时,位于中心测点的光纤Bragg光栅的实验灵敏度分别为正行程0.015nm/mm,反行程为0.014nm/mm,重复性误差为2.2%;正行程的线性度为0.99728,反行程的线性度为0.99684,迟滞为0.0626%FS。
【总页数】3页(P52-53,67)
【作者】李伟; 李川
【作者单位】650500 云南昆明昆明理工大学信息工程与自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.14
【相关文献】
1.扭转梁式双光纤Bragg光栅加速度传感器的设计与有限元分析 [J], 王海林;刘爱莲;姚敏;赵振刚;杨秀梅;李川
2.基于光纤Bragg光栅的悬臂梁式力检测系统 [J], 茶映鹏;李恩旻;彭星玲;张华
3.双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器 [J], 李伟; 李川
4.双悬臂梁结构的光纤光栅位移传感器设计 [J], 梁玉娇;娄小平;孟凡勇;闫光;祝连庆
5.双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器 [J], 刘钦朋;乔学光;贾振安;王向宇;李婷因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究
基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究文章标题：基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究一、引言基于光纤光栅传感器的低温应变测量方法在航空航天、军事装备、核能设施等领域具有重要的应用价值。
然而，在低温环境下，光纤光栅传感器的温度特性可能会对应变测量结果产生较大的影响，因此需要进行温度补偿处理。
本文将就基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法展开深入探讨。
二、光纤光栅传感器原理及其在低温应变测量中的应用光纤光栅传感器是一种利用光纤中的光栅结构对光信号进行调制和检测的传感器，其原理是通过测量光栅结构的变化来实现对应变的监测。
在低温应变测量中，由于光纤光栅传感器的高灵敏度和免受电磁干扰的特点，被广泛应用于低温环境下的应变监测。
三、光纤光栅传感器温度特性对低温应变测量的影响在低温环境下，光纤光栅传感器的温度特性会对其测量结果产生影响。
低温会导致光纤光栅传感器的本征特性发生变化，影响其对应变的响应；另低温环境中的温度梯度和热应力也会对光纤光栅传感器的性能造成影响。
对光纤光栅传感器的温度特性进行准确补偿，是确保低温应变测量准确性的关键。
四、基于光纤光栅传感器的温度补偿算法研究针对光纤光栅传感器在低温环境下的温度补偿问题，研究人员提出了多种温度补偿算法。
其中，采用光纤光栅传感器自身的温度响应特性进行建模，并结合温度传感器对光纤光栅传感器进行实时温度补偿是一种较为常见的方法。
还有基于信号处理和数据分析的温度补偿算法，通过对原始数据进行处理和分析，消除温度对测量结果的影响。
五、研究现状及发展趋势目前，基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法已经取得了一定的进展，但仍存在一些问题和挑战。
对光纤光栅传感器温度特性的建模和补偿算法的精度有待进一步提高，对温度梯度和热应力的影响机制还需深入研究。
未来，随着光纤光栅传感器技术的不断发展和完善，基于光纤光栅传感器的低温应变测量方法将更加准确和可靠。
六、个人观点及总结在本文的研究过程中，笔者认为基于光纤光栅传感器的低温应变测量方法具有重要的理论和应用意义。
光纤光栅温度补偿技术研究
34科技资讯 SC I EN C E & TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N工 程 技 术光纤光栅是一种新型光无源器件,具有体积小、本征防爆、抗电磁干扰、易于复用、耐高温及耐腐蚀等优点,受到研究人员极大的关注。
光纤光栅同时敏感温度和应变。
当测量与应变相关的被测量时,就需要补偿温度影响。
如何补偿温度的影响一直是科研人员潜心研究的问题。
1 光纤光栅传感原理根据光纤光栅的耦合模理论,均匀非闪耀光纤光栅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波,反射波峰值波长 B 随应变和温度的偏移量 B 为:01()B B e p T(1)式中:B 为光纤光栅波长偏移量; 0B 为环境温度下的自由波长; e p 为光纤的有效弹光系数; T 为温度的变化量; 为光纤的热膨胀系数,表示光栅周期随温度的变化率,1T; —光纤光栅的热光系数,表示折射率随温度的变化率,1e e n n T。
以式(1)为物理基础,利用光纤光栅可以测量应变和温度,即构成光纤光栅传感器。
从式(1)可以看出,温度和应变都会影响光纤光栅的波长偏移,因此,若测量与应变有关的物理量,就需要补偿温度 T 的响应。
如何补偿温度是科研人员潜心研究的问题。
2 温度补偿方法目前,温度补偿方法分为两类:硬件补偿法,即根据弹性元件自身的特点,测量光纤光栅反射波峰值波长差或反射波带宽消除温度的影响;模型法,即通过监测温度信号,建立输入输出模型进行温度补偿。
2.1硬件补偿法2.1.1测量峰值波长差将两个相同光纤光栅布置在梁上下表面相同的位置,形成差动结构,测量两个光纤光栅峰值波长的差;或者将一根光栅分成两部分,一部分处于自由状态,敏感温度,另一部分利用聚合物结构封装起来或粘贴在弹性元件上,敏感温度和应力,通过测量两部分光纤光栅的峰值波长差消除温度的影响。
2.1.2测量带宽在任意温度下,只要光纤光栅整体的温度保持一致,则光纤光栅各点因温度而引起的变化就是相同的,即环境温度仅对光纤光栅反射波长有影响,不影响带宽。
温度补偿型光纤光栅位移传感器
温度补偿型光纤光栅位移传感器田晓丹;张会新;刘文怡;范军刚【摘要】基于等腰三角形悬臂梁和双光纤光栅结构设计并制造了一种高分辨率、温度自补偿的光纤位移传感器。
采用光谱分析法对测量结果进行解调，常温下的实验结果表明，传感器的量程为0~70 mm，灵敏度为21.9 pm/mm，线性拟合度高达0.999，重复性误差为4.72%FS，迟滞误差为2.70%FS。
而且在0~60℃温度范围内的零漂为0.41 pm/℃，温度性能良好。
该传感器能很好的应用于水利水电工程、工业与民用建筑等结构上裂缝或接缝开合度的长期监测。
%Based on isosceles triangle cantilever beam and double fiber Bragg grating structure,a kind of tempera⁃ture self-compensated fiber optic displacement sensor with high resolution is designed and manufactured. The mea⁃surement result is demodulated by spectrum analysis method. The experimental results under the normal tempera⁃ture environment show that,the range of the sensor is 0~70 mm,the sensitivity is 21.9pm/mm,the degree of linear fitting is as high as 0.999,the repeatability error is 4.72%FS and the hysteresis error is 2.70%FS. In the tempera⁃ture range from 0℃to 60℃,the zero drift is 0.41 pm/℃,so temperature performance is good. The sensor can be well applied in long-term monitoring of the cracks or seam open degree in the water conservancy and hydropower en⁃gineering,industrial and civil buildings.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2016(039)003【总页数】5页(P576-580)【关键词】传感器;温度补偿;光谱;悬臂梁;光纤光栅;位移【作者】田晓丹;张会新;刘文怡;范军刚【作者单位】中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学仪器与电子学院，太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP212.1水利水电工程、工业与民用建筑等结构经过长时间的使用或受到恶劣环境的影响后，自然而然地会产生裂缝或接缝开合，可能会给实际的使用带来严重的危害，因此需要适宜的位移传感器对这些结构的裂缝和接缝开合度进行长期的监测，以保障工厂的顺利运行及人员的人身安全。
悬臂梁中对布拉格光栅应变传感的温度补偿研究
以来 ， 是发展最 为迅速 的光 纤无 源 器件 之一 。因为
布拉格光纤光栅抗 电磁 干扰、 绝缘性好 、 耐腐蚀性
高 、 敏 度高 以及稳 定 性 良好 ， 以它 显 示 了在 光 灵 所 纤 通讯和 光纤传 感上 的巨大 的潜力 。 基 于光纤 布拉格光 栅 的传感 器 ， 其传 感 过程 是 通 过外 界参量 对 布 拉格 光 栅 中心 波长 的调 制 来 实
维普资讯
２ ｏ 年２ ｏ８ 月
繁２ 期
虐 子 测 斌
Ｅ ＣＴ ＬＥ Ｒ０Ｎｌ Ｔ Ｔ ｃ Ｅｓ
Ｆｅ ２ ８ ｂ ０Ｏ
Ｎｏ． ２
悬臂 梁 中对 布拉 格 光 栅应 变传 感 的温度 补偿 研 究
胡 纪 平 ，吕乃 光
（ 北京信息科技 大学理学 院 北京 １０ ８ ） ００ ５
现 的 ， 于 波 长 调 制 型 传 感 器 ， 具 有 以下 明 显 属 它
０ 引
言
优点 ：
（） １ 多个不 同型 的传感 器可 以在一条 光纤 上
光 纤布拉格 光 栅 自从 ２ ０世 纪 ７ ０年 代 末 出现
串接复 用 ， 成 传 感器 阵 列 ， 现 多参 量 的 准分 布 构 实
影响；
屯 蚤 基！基
ＥＬ ＣＴＲ Ｅ ＯＮＩ ＴＥ Ｃ ＳＴ
维普资讯
设计与研发
（ ） 点无 漂移 、 期稳 定 、 对 量测 量 、 ４零 长 绝 系统 安装 及长 期使用过 程 中无 需定标 ；
２０ ０８ ２
出应变和温度所分 别引起 的被测量 的变化 ， 在实 因此 际应用中必须采取措施进行补偿或区分 。
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｉ ｓ ｙ ｔ ｅ ｆ ｎｄ ｍｅ ｔｌｐ ｎ ｉ ｌ ｆｆｂ ｒＢｒ ｇ ｒｔｎ ｅ ｓｎ ｎ ｈ ｏ ｒ — ｔ ａ ｔ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｆ ｔ ｈ ｕ ａ ｎ ａ ｒ ｃ ｐ ｅｏ ｅ ａ ｇ ｇ ａ ｉｇ ｓ ｎ ｉ ｇ ａ ｄ ｔｅ ｃ ｒｅ ｒｌ ｉ ｉ ｌｔ ｎ ｅ ｕ ｔｏ ｅｗｅ ｎ ｗａ ｅｅ ｇｈ ｃ ｎ ｅ ｏ ｈ ｅ ｓ ｒ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔｌｔ ｍｐ ｒｔ ｒ ｎ ｔａｎ ｃ ａ ｇ ａ ｉ ｑ ａ ｉｎ ｂ ｔ ｅ ｖ ｌ ｎ ｔ ｈａ ｇ ｆｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ，ｅ ｖ ｒ ｎ ｎａ ｅ ｅ ａｕ ｅ ａ ｄ ｓｒ ｉ ｈ ｎ ｅ ｏ
非等厚悬臂梁结构的光纤光栅压力和温度双参量传感器
出了多种传感方案 ． 本文在此基础上设计 了非等厚结构的悬梁臂 ， 将普通 Ｆ Ｇ刚性粘接于其上表 Ｂ 面， 构成 了同时测定温度和应变的光栅传感装置 ， 实现了单光栅应力和温度双参量 的同时测量． 该系统 结构简单 ， 当外界压力给悬臂梁施加应力时 ， 粘贴在悬臂梁上表面的光栅受到拉伸 ， 引起该光纤光栅反 射谱产生双峰和反射谱漂移． 随着施加应力的增大， 双峰间距也产生变化． 通过对反射谱漂移量和峰值
ｔ ｎ ｉ ｏ
Ｏ 引 言
近年来 ， 光纤光栅 （ ｂｒ ｒ ｇｇ ｔｇ Ｆ Ｇ 作为一种新型灵巧 的传感元件 ， ｆ ｅ Ｂａ ａｎ ， Ｂ ） ｉ ｇ ｒｉ 因其具有易于管线连
收 文 日期 ：０ １ ９２ ； 订 日期 ：０ ｌ１ －９ ２ １ ￣ －１修 ０ ２ １ ・２２
『 Ａ／ ０： ［Ｆ １一Ｐ ） （ ） （／）＋［ ＋ △ １Ａ ６（ 。／ 口 ］ ｅｚ （ ）＋（ １一Ｐ ） 。 ） Ｔ ， ＜戈 ＜ｄ ， 。（ ｂ— Ａ ］０ ； 、
基金项 目 ： 浙江省 自然科学基金资助项 目（ １０ ２ ） 浙江省金华市科技计划项 目（０ ９１０２） Ｙ１０ ５４ ； ２ ０ —－９ 作者简 介 ： 吴浩伟 （９ ４ ， ， １８ 一） 男 江苏盐城人 。 硕士研究生． 研究方向 ： 光电检测等 ． 通信作者 ： 应朝福． － ａｌ ｉｇ ｊｕ ｃ Ｅ ｍ ｉ ｎ ＠ｚｎ ．ａ ：ｙ
温度和应变引起的 Ｂａｇ ｒ 波长的漂移可表示为 ｇ
Ａ ／ Ｂ： （ ＡＡ １一Ｐ ） ８＋（ ＋ △ ） （） ２
式 （） ： ２ 中 为 Ｆ Ｇ轴 向应 变 ； 为温 度变 化量 ； Ｂ △ 尸 为有效 弹 光 系数 ； 分别 为 Ｆ Ｇ 的热 膨 胀 系数 和 ， Ｂ 热 光 系数． 于纯 熔石 英光纤 ＿ 取 ｐ ＝０２ ， ＝ ． 对 】 ， ．２ ０５×１ ／ｏ ＝６７×１ ／℃． Ｆ Ｇ被粘 贴 于 ０一 Ｃ， ． ０ 当 Ｂ 基底 材料 上 时 ， 底材 料 的变形 和 热膨 胀都 会 传递 到 Ｆ Ｇ上 ， 基 Ｂ 引起 Ｂａｇ波长 发 生漂 移． 用 ｒｇ 若 基底 材料 的热 膨胀 系数 ， 此 时 Ｆ Ｇ的 Ｂａｇ波长相 对偏 移量 与应变 及 温度 的关 系可表 示为 则 Ｂ ｒｇ 表示
应用光纤布拉格光栅监测悬臂梁的变形
０ 引言
工 程中结构的变形监测是非常 重要的 ， 因为这 关 系到结构 的 安全性 和可靠性… 。传统 的监 测方 法是 利用 电阻应 变 片测量 结 构 的应 变 ， 但是 这种方法 的缺 点是易受温度 、 电场 、 磁场 等环境 的影 响而使 监测 的结果 变得 不够 精确 。而应 用新 型 的光 纤传 感
用下发生弯 曲变形时产生 的应变 。
图 １ 基本 的光纤光栅传感原理
１ 光纤布 拉 格光栅 （ ｒｇ ａｉｇ 传 感 器 的原 理 ［ Ｂ ａ ｇＧｒｔ ） ｎ ３ 引
Ｆ Ｇ传感器对被 测量 的检测 是通 过测 量 型非线 性作用传感器 ， Ｊ其 而实现 的 ， 光栅 布拉格波长为 Ａ 。当宽谱 光源入 射到光 纤 中 ， 光
器进行 监测 可克服以上的缺点 。 本文 即采用光纤布 拉格光 栅 传感器 来监 测悬 臂梁 在 载荷 作
传感 原理如图 １ 所示 。
ｆ＾谱 ．射 ］＼ ／ 入 光
，
波长变化
、 ／ ＼ ．
Ｌ ———
Ａ
１ 宽带光源 卜—］）————— ＿ （ ｌ 波长监控 Ｉ
：
波长监控 Ｉ
ｂ
的今 天 ， 现浇混凝 土空心楼盖技术 可以帮助 我们用更 加低廉 的成 本建 造出更加符 合个性 化及 人性 化 的建筑 。笔 者相 信 随着 现浇 混凝 土空心楼盖技术越来越 多的被应用 到我 国的建筑行 业 ， 现浇 混凝 土空心楼盖技术还会有更进 一步 的完善和发 展 ， 其发展 前景
随着建筑技术 的进 步以及 建筑观念 的转变 ， 中国建筑关 注 的 焦点 从原本简单 的居住 结构 逐渐 集 中在个 性化及 人 性化 。现浇 混凝 土空心楼盖技 术 的出现 满足 了现 代人 对于 建筑 的需求 。与 传统建筑 结构相 比， 现浇混凝土空心楼 盖具有 自重 轻 ， 度大 ， 跨 节
悬臂梁结构光纤光栅电流传感器的优化
长变 化差 分方 式建 立 电流大 小与 光栅 波长 变 化之 间 的关 系 ， 在 提 高 测量 灵 敏 度 的 同时 消 除 了 温 度
对测 量结 果 的影 响 。
应 的光学 电 流传 感 器 、 光 纤 光 栅 电 流 传感 器 以及
采用 光纤 作 为 信 号 传 输 媒 介 的 Ｒ ｏ ｇ ｏ ｗ ｓ ｋ ｉ 线 圈式 电流传 感 器 。随着光纤技术 的发展 ， 光 纤 布
晓 瞻通过 在 光纤光 栅 表面镀 金 的方式 增 加 了它 的 导 电性 和 传 热 性 ， 实 现 了对 ０～４ ０ ｍ Ａ 电流 的 测 量 ； 王东 礼 基于磁 力耦 合 原理 ， 运用 光纤 布拉 格
光栅 与 弹性 元件 相 结 合 作 为 传 感 元件 ， 实 现 了对 直 导线 大 电流 的测 量 ； 王 莉将 超 磁致 伸 缩 材料 与 光纤 光栅 相 结合 ， 通 过 建 立超 磁 致 伸 缩 材 料 磁
作 者简 介 ： 姜 明月 （ １ ９ ９ １ ． ） ， 硕士研究生 ， 研究 方 向 为 光 纤 检 测 技 术 。 联 系 人： 姜 明顺 （ １ ９ ８ １ 一 ） ， 副教授 ， 研 究 方 向为 新 型 检 测 技 术 、 光 电子技 术 、 光纤 传感 技术 与应用 ， ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｍｉ ｎ ｇ ｓ ｈ ｕ ｎ ＠
ｓ ｄｕ ．ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ。
第 ４期
姜明月等． 悬 臂 梁 结 构 光 纤 光 栅 电流 传 感 器 的 优 化
３ ７ ３
置位 置磁 场 强度 曰与 线 圈 中 的 电流 ， （ 即被 测 电 流） 的关 系为 ：
一
热 一力 耦合 特 性 的非线 性 模 型 ， 实 现 了对 交 流
具有温度自补偿功能的新型光纤光栅应变传感器的研究
２ Ｓｒｃｕａ ａｈＭｏ ｉ ｒ ｇａ ｄＣ ｎｒｌｎｔ ｕｅ ｈ ｉ ｈ ａｇＲ ｉ ｙＩ ｔｕｅ Ｓ ｉａｈ ａ ｇ０ ０ ４ ，Ｃ ｉ ） ． ｔ ｔｒｌ ｔ ｎｔ ｉ ｏ ｔ ｓｉ ｔ，Ｓ ｉａ ｕｎ ａｗａ ｎ ｉ ｔ， ｈｊｚ ｕｎ ５ ０ ３ ｈｎ ｕ Ｈｅ ｏｎ ｎ ｏＩ ｔ ｊｚ ｌ ｓ ｔ ｉ ａ
摘要： 分析 了光纤光 栅的温度应变 交叉 敏感 的机理 ， 计并制作 了一种新 型的具有温 度补偿和应 变增敏 效果 的 设 光纤 布拉格 光栅应变 传感 器 ． 实验结 果表 明， 一１ ～５ 在 ０ ０℃ 的温度变 化范 围 内， 传感 器实现 了 良好 的温 度补偿 和应变增敏效果 ， 温度敏感性 降低至封装前 的 １ １ ， ／ ０ 应变敏感性增 至原来 的 １ １ ． ．７倍 关键词 ： 光纤光栅 ； 变传感器 ；温度补偿 ；应变增敏 应
维普资讯
第 ６卷第 １ 期 ２０ ０ ８年 ３月
中
国
工
程
机
械
学
报
Ｖ０ １６ Ｎｏ． １ ห้องสมุดไป่ตู้ ａ ．２ ０８ ｒ ０
Ｃ Ｉ Ｅ Ｅ Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｘ Ｎ Ｔ ＵＣ Ｉ ＮＭＡＣ Ｉ Ｅ Ｙ Ｈ Ｎ Ｓ Ｒ Ａ Ｆ（） Ｓ Ｒ Ｔ Ｏ Ｏ ＨＮ Ｒ
具 有 温 度 自补 偿 功 能 的新 型 光 纤 光栅 应 变 传 感器 的研 究
杜彦 良 ， 一 刘晨 曦 ， ， 李剑 芝 一 ， ２
（． １河北省大型结构健康 诊断与控制重点实验室 ， 河北 石家庄 ００４ ； ５ ０ ３ ２ 河北省石家庄铁道学 院 大型结构健康诊断与控制研究所 ， ． 河北 石家庄 ０ ０４ ） ５ ０ ３
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（７）
式（７）为应变和波长漂移量的传递关系。
（３）位移传感器悬臂梁长15cm，光纤光栅距 离悬臂梁自由端距离为10cm；
（４）位移传感器悬臂梁长20cm，光纤光栅距 离悬臂梁自由端距离为5cm；
３ 实验研究 位移传感器的精度与量程同时受悬臂梁主梁长 度和光纤光栅在主梁上的位置的影响。用游标卡尺 定标，精度为0.02mm，每次使悬臂梁自由端变化 1mm，分别测量出悬臂梁上下两个表面所粘贴的 FBG的波长漂移量，经过差分计算，拟合出位移与 FBG中心波长漂移量的关系式。 采用游标卡尺（精度为0.02mm）和FBG D-210型
７２
悬臂梁结构光纤光栅温度自补偿位移传感器实验研究
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
祝睿雪， 景锐平， 王雪成， 佘智磊， Zhu Ruixue， Jing Ruiping， Wang Xuecheng， She Zhilei 中国地质大学 武汉数学与物理学院
电子技术 Electronic Technology 2013(5) 1次
2005,24(1):22-24. ［４］ 孙训方，方孝淑，关来泰．材料力学（第４版）［Ｍ］． 北京：高等教育出版社,2002. ［５］ 饶云江，王义平，朱涛，等．光纤光栅原理及应用［Ｍ］． 北京：科学出版社,2006,8. ［６］ 沈洋，孙利民．高灵敏度温度自补偿型光纤光栅 加速度传感器设计［Ｊ］．结构工程师,2009,25(2):
基金项目： 中国地质大学（武汉）中央高校基本科研业务费 专项资金资助项目 项目编号 1210491B11
从表中可以看出，此位移传感器的线性区间最 大为16mm，线性相关系数最好可达到0.9995；在悬 臂梁长度一定时，光纤光栅越远离悬臂梁自由端， 其灵敏度越高；当光纤光栅距离悬臂梁自由端的距 离一定时，悬臂梁越长，其灵敏度越低。
０ 引言 自从1978年K.O.Hill等人首次在锗硅光纤上用驻 波持续曝光制作成第一个光纤布拉格光栅（FBG） 以来［１，２］，FBG的应用研究引起了全世界学者的广泛 关注。光纤光栅传感器的材料优势及传感优势使 FBG传感技术近年来引起人们极大的兴趣。在光纤 光栅传感方案中，温度补偿的准确性和可靠性对测 量结果的准确性有非常大的影响，要做到合理准确 又有效的温度补偿，只能通过单个传感器的温度自 补偿来实现［３］。本文在FBG的传感机理上，依据悬 臂梁结构提出一种位移传感器方案，此方案结构简 单、运行稳定，且能够实现温度补偿与减小外界干 扰的作用，获得较高的灵敏度。
引证文献(1条)
1.赵明富,王念,罗彬彬,施玉佳,曹李华 可同时测量蔗糖浓度和温度的组合光纤光栅传感器[期刊论文]-中国光学 2014(03)
引用本文格式：祝睿雪.景锐平.王雪成.佘智磊.Zhu Ruixue.Jing Ruiping.Wang Xuecheng.She Zhilei 悬臂梁结构光纤光栅温度自补偿位移
（２） 式中， 为轴向应变，Pe为弹光系数，a∧为光纤的 热膨胀系数，an表示热光系数，ΔT为温度的变化量。
７０
光电子技术 Optoelectronic Technology
温度自补偿原理为，当采用双光栅差分式分布 在梁上下表面时，两根光栅中心波长的变化方向是 相反的。两根光栅封装方式完全一样，热膨胀系数 与热光系数均相同，长度一致，且两者应变等幅反 向，即有：
（５）位移传感器悬臂梁长20cm，光纤光栅距 离悬臂梁自由端距离为10cm；
７１
光电子技术 Optoelectronic Technology
（６）位移传感器悬臂梁长20cm，光纤光栅距 离悬臂梁自由端距离为15cm
Miniature fiber optic ultrasonic probe[C]// Proc.SPIE 2839: 8 ［３］ 董兴法，班建民，黄勇林，等．一种新颖的纤栅式 微振动传感器的温度补偿方法［Ｊ］．传感器技术，
光电子技术 Optoelectronic Technology
10.3969/j.issn.1000-0755.2013.05.024
悬臂梁结构光纤光栅温度自补偿位移传感器 实验研究
祝睿雪 景锐平 王雪成 佘智磊 （中国地质大学（武汉）数学与物理学院）
摘 要：以悬臂梁为基本构架，以FBG为敏感元件，设计了一种新型的具有温度自补偿特性的FBG位移 传感器方案。对悬臂梁进行分析，推导出位移传感器的传递函数，然后对其定标并实际测量，得到了传感 器线性度和灵敏度同悬臂梁长度以及光纤布拉格光栅的位置之间的关系，并从结果看出本传感器精度高， 运行稳定，且有好的重复性，线性范围最大为16mm。
４ 结语 本传感器方案结构简单、线性度好、抗外界干 扰能力强。最大线性区间为16mm，线性相关系数最 好可达到0.9995。但光纤光栅位移传感器的灵敏度 与线性度不能够同时达到最好，使用时可以根据实 际需要兼顾考虑，此方案和实验结果有很好的实用 性与使用前景。
参考文献： ［１］ Hill K O, Fujii F, Johnson D C et al. Photosensitivity
141-146．
通过对实验得到的定标数据进行处理与总结， 得到本方案位移传感器的传递函数及其线性范围如 下表所示：
作者简介： 祝睿雪（１９９２－）女，中国地质大学（武汉） 景锐平（１９８３－）男，中国地质大学（武汉），硕 士；研究方向：光电检测与自动控制。 电子信箱：jingruiping@ 联系地址：湖北省武汉市洪山区鲁磨路３８８号， 中国地质大学数理学院 ４３００７４
１ 原理 基本结构原理为，图１为矩形悬臂梁基本结构， 梁长为L，梁轴线的曲率为 ，梁的轴线称为挠度 线，则曲线上任一点 处在外力F作用下的纵坐标 即为该点的挠度［４］，传振原理为，当自由端有静挠 度y时，距离固定端为 的截面处的静挠度 ：
（１）
参考文献(6条) 1.Hill K O;Fujii F;Johnson D C Photosensitivity on optical fiber waveguides:Applications to reflection filter fabrication 1978(32) 2.Webb D J;Surowiec J;Sweeney M Miniature fiber optic ultrasonic probe 1996
关键词：光纤光栅；悬臂梁；位移传感器；传递函数；温度自补偿
Experimental Study on Cantilever Beam Structural FBG Displacement Sensor with Temperature Self-Compensation
Zhu Ruixue Jing Ruiping Wang Xuecheng She Zhilei (School of Mathematics and Physics, China University of Geosciences (Wuhan)) Abstract: Based on a cantilever beam structure, a new scheme of FBG temperature self-compensation displacement sensor is designed using FBG as the sensitive element. The transfer function of the displacement sensor is derived by analyzing the cantilever beam, and then the calibration and actual measurement of it carried out. The relation between accuracy and linearity of the sensor, and the length of cantilever beam and the location of FBG is got. The results show that the sensor has high precision, stable operation, reliable repeatability, and a linearity up to 16mm. Key words: FBG; cantilever beam; displacement sensor; transfer function; temperature self-compens以看出 的截面处的静挠度 与梁长 L和距离固定端距离 都有关系，且在L一定时， 越 小， 越大，在 一定时，L越大， 越小。
FBG传感原理为，光纤光栅在受到外界因素如 温度、应力等的影响时，其光栅周期和纤芯的有效 折射率会发生改变，故其中心波长总是随着外界环 境参数的变化而变化，那么检测中心波长的变化量 就可以反映出外界环境中应力或是温度的改变量， 光纤光栅中心波长产生的漂移为［５］：
3.董兴法,班建民,黄勇林,张伟刚,开桂云,董孝义 一种新颖的纤栅式微振动传感器的温度补偿方法[期刊论文]-传感器技术 2005(1)
4.孙训方;方孝淑;关来泰 材料力学(第4版) 2002 5.饶云江;王义平;朱涛 光纤光栅原理及应用 2006
6.沈洋,孙利民 高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感器设计[期刊论文]-结构工程师 2009(2)
便携式光纤光栅解调仪（精度为1pm）对该仪器的输 出光波波长和悬臂梁自由端位移量之间的关系进行 测量。温度计（精度为0.1℃），用来测量环境温度。 以下对位移传感器定标时的环境温度为12℃。