胡遼林， 張衛(wèi)超

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

光纖光柵(FBG)傳感器能夠進(jìn)行溫度、應(yīng)變或其他諸多參量的測(cè)量，已經(jīng)在一些大型建筑結(jié)構(gòu)，如橋梁、鐵路、高樓中得到廣泛應(yīng)用[1-8]。光纖光柵傳感器是通過(guò)布拉格中心波長(zhǎng)的漂移感知被測(cè)量的。實(shí)際測(cè)量時(shí)，溫度和應(yīng)變是同時(shí)存在的，是兩個(gè)直接導(dǎo)致布拉格中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移的物理量。當(dāng)光柵用于測(cè)量時(shí)，無(wú)法分辨出應(yīng)變和溫度各自引起的波長(zhǎng)變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須采取措施進(jìn)行補(bǔ)償或區(qū)分。國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖光柵應(yīng)變測(cè)量的溫度補(bǔ)償進(jìn)行了大量的研究，主要基于兩種思想：測(cè)量過(guò)程補(bǔ)償和測(cè)量結(jié)果補(bǔ)償。測(cè)量過(guò)程補(bǔ)償是指通過(guò)對(duì)傳感單元進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)與布置，使其對(duì)溫度不敏感從而達(dá)到測(cè)量應(yīng)變的目的，如將光柵封裝在負(fù)溫度系數(shù)的材料上，抵消光柵的正溫度系數(shù)[9]或通過(guò)特殊構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)溫度不敏感的傳感器[10]；而測(cè)量結(jié)果補(bǔ)償是指在測(cè)量后經(jīng)過(guò)某種運(yùn)算和處理對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行剝離，如參考光纖光柵法[11-15]?；跍y(cè)量過(guò)程補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵傳感器制作工藝復(fù)雜，本文使用基于參考光纖光柵的結(jié)果補(bǔ)償方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)表明，使用該方法測(cè)量應(yīng)變能有效地去除溫度帶來(lái)的影響。

1 基于參考光柵的溫度補(bǔ)償原理

根據(jù)耦合模理論，當(dāng)光在光纖光柵中傳輸時(shí)將產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的光被反射，

λΒ=2neffΛ

(1)

式中：Λ為光柵周期；neff為導(dǎo)模的有效折射率；Λ和neff變化都會(huì)使布拉格波長(zhǎng)λΒ產(chǎn)生“波長(zhǎng)漂移”。而作用在光柵上的應(yīng)變和溫度是兩個(gè)能夠直接引起λΒ漂移的物理量。在溫度和應(yīng)變同時(shí)作用下的布拉格波長(zhǎng)漂移為

ΔλΒ/λΒ=Kεεz+KTΔT

(2)

式中：ΔλB為光柵布拉格(中心)波長(zhǎng)變化量；Kε為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)；KT為光纖光柵的相對(duì)溫度靈敏度系數(shù)。

設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器時(shí)，由于光纖光柵的交叉敏感特性，溫度變化會(huì)引起傳感器產(chǎn)生誤差，所以要采用溫度補(bǔ)償措施來(lái)減少或消除溫度影響。

參考光柵法就是在應(yīng)變測(cè)量的光柵旁放置另一只光柵，測(cè)量光柵與參考光柵串聯(lián)起來(lái)，參考光柵處于自由狀態(tài)且與被測(cè)結(jié)構(gòu)處于相同的溫度場(chǎng)中，只感受溫度的變化，不受應(yīng)變的影響，通過(guò)數(shù)據(jù)處理就可以分離出溫度的影響。

設(shè)測(cè)量光柵的中心波長(zhǎng)為λB1，同時(shí)受應(yīng)變和溫度的影響，由下式得：

ΔλΒ1/λΒ1=Kεεz+KTΔT

(3)

用于溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖脊鈻诺闹行牟ㄩL(zhǎng)為λB2，它只受溫度影響，

ΔλΒ2/λΒ2=KTΔT

(4)

由式(3)和(4)得到應(yīng)變：

εz=(ΔλΒ1/λΒ1-ΔλΒ2/λΒ2)/Kε

(5)

這就是基于參考光柵的光纖光柵應(yīng)變測(cè)量的溫度補(bǔ)償原理。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

首先用水浴加熱法測(cè)試裸光纖光柵的溫度特性。傳感與參考光柵的相對(duì)溫度特性測(cè)量裝置如圖1所示。寬帶光源(ASE)發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器入射到光纖光柵，反射回來(lái)的光再經(jīng)3 dB耦合器送至光譜分析儀，測(cè)量反射光的中心波長(zhǎng)變化。測(cè)量過(guò)程中，以20 ℃為溫度起點(diǎn)開始測(cè)量，均勻加熱使水溫上升，使用精度為0.1 ℃的溫度計(jì)每隔5 ℃記錄一次光纖光柵反射譜的中心波長(zhǎng)，水溫的變化范圍為20～85 ℃。一次升溫后，再以85 ℃作為溫度起點(diǎn)，每降5 ℃記錄一次數(shù)據(jù)，循環(huán)測(cè)量多次，整理數(shù)據(jù)。

溫度/℃2325303540455055606570758085測(cè)量光柵FBG1中心波長(zhǎng)/nm1549．2601549．3081549．3541549．4141549．4571549．5081549．5601549．6121549．6621549．7181549．7621549．8241549．8921549．951FBG1波長(zhǎng)變化量/nm00．0480．0940．1540．1990．2500．3020．3540．4040．4600．5040．5660．6340．693參考光柵FBG2中心波長(zhǎng)/nm1550．5421550．5911550．6421550．6991550．7461550．8011550．8501550．9011550．9541551．0081551．0561551．1151551．1821551．239FBG2波長(zhǎng)變化量/nm00．0490．1000．1570．2040．2590．3080．3590．4120．4560．5040．5630．6300．687波長(zhǎng)變化量差/nm0-0．001-0．006-0．003-0．005-0．009-0．006-0．005-0．0080．00400．0030．004-0．005

隨著溫度的變化，兩個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)變化以及兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)變化差如表1所示。經(jīng)處理后可得單個(gè)光纖光柵的溫度靈敏度為～10.5pm/℃，在20～85 ℃范圍內(nèi)由溫度導(dǎo)致的兩個(gè)光纖光柵的波長(zhǎng)變化差平均每5 ℃為～2.8 pm，即兩個(gè)光纖光柵的相對(duì)波長(zhǎng)漂移量對(duì)溫度的靈敏度為0.56 pm/℃，遠(yuǎn)小于單個(gè)光纖光柵的溫度靈敏度。這說(shuō)明兩個(gè)FBG間的波長(zhǎng)相對(duì)漂移對(duì)溫度的靈敏度(0.56 pm/℃)僅為單個(gè)FBG的溫度靈敏度(～10.5 pm/℃)的5.6%，當(dāng)用其中一個(gè)FBG作應(yīng)變測(cè)量時(shí)，可以用另一個(gè)FBG作溫度補(bǔ)償。

為了進(jìn)一步說(shuō)明此方法能夠有效地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，采用圖2所示參考光柵溫度補(bǔ)償裝置測(cè)量應(yīng)變。應(yīng)變測(cè)量光柵采用502膠(502膠黏貼基本可以達(dá)到剛性黏接)黏貼在等強(qiáng)度懸臂梁的中軸線中心位置，同時(shí)遭受溫度和應(yīng)變的影響；參考光柵也放置在同一位置，處于自由狀態(tài)，只受溫度影響。

在懸臂梁自由端加不同的砝碼，每添加1 kg砝碼記錄一次數(shù)據(jù)。將測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制成圖，得到測(cè)量光柵與參考光柵反射譜中心波長(zhǎng)的變化關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)量光柵與參考光柵反射波長(zhǎng)的變化

由于實(shí)驗(yàn)室空調(diào)開放，溫度相對(duì)恒定，為了明顯地看到溫度帶來(lái)的影響，采用人為加入溫度干擾。由圖3可看出，應(yīng)變測(cè)量光柵和參考光柵隨溫度變化的趨勢(shì)基本相同。在測(cè)量光柵數(shù)據(jù)上剔除參考光柵中溫度變化引起的波長(zhǎng)漂移后，得到圖4?？梢?jiàn)，去除溫度影響后ΔλB與所加質(zhì)量m，即應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，其擬合方程為ΔλB=46m+3.7，擬合優(yōu)度R2=0.998。

圖4 去除溫度影響后線性擬合結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種具有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感方案，使用一個(gè)與測(cè)量光柵的各參數(shù)相同的光纖光柵作為溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明，補(bǔ)償后基本上消除由于溫度漂移引起的測(cè)量誤差，測(cè)量結(jié)果的線性擬合度0.998，達(dá)到了很好的溫度補(bǔ)償效果。采用此方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，只要精心挑選兩只結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同的光纖光柵，就可得到很高的精度。

[1] Mousumi Majumder, Tarun Kumar Gangopadhyay, Ashim Kumar Chakraborty,etal. Fiber Bragg gratings in structural health monitoring—Present status and applications [J]. Sensors and Actuators A, 2008(147): 150-164.

[2] Benjamin Torres, Ignacio Payá-Zaforteza, Pedro A Calderón,etal. Analysis of the strain transfer in a new FBG sensor for structural health monitoring[J]. Engineering Structures, 2011(33): 539-548.

[3] Jiang Bi-qiang, Zhao Jian-lin, Qin Chun,etal．An optimized strain demodulation method based on dynamic double matched fiber Bragg grating filtering [J]．Optics and Lasers in Engineering，2011，49(3)：415-418.

[4] Crunelle C，Wuilpart M，Caucheteur C，etal．Original interrogation system for quasi-distributed FBG-based temperature sensor with fast demodulation technique[J]．Sensors and Actuators A：Physical，2009，150(1)：192-198.

[5] 張燕君，婁俊波，唐瑞雪，等．新型分布式布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)的研究[J]．光電工程，2010，37(1)：88-94.

ZHANG Ya-jun, LOU Jun-bo, TANG Rui-xue,etal. Novel distributed sensor system based on fiber Bragg grating sensing technology[J]. Opto-Electronic Engineering, 2010，37(1)：88-94.

[6] 吳 堃,李 川,李英娜,等.大應(yīng)變光纖Bragg 光柵傳感器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011, 24(8):1141-1145.

WU Kun, LI Chuan, LI Ying-na,etal. Research of fiber Bragg grating sensor with large stain[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2011, 24(8):1141-1145.

[7] 曹 曄,劉 波,劉麗輝,等.對(duì)溫度不敏感的光纖光柵壓力傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2005,18(1):177-180.

CAO Ye, LIU Bo, LIU Li-hui,etal. Temperature insensitive fiber grating stress sensor[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators,2005,18(1):177-180.

[8] 胡遼林，張衛(wèi)超，華燈鑫，等．基于LabVIEW的光纖光柵傳感的動(dòng)態(tài)解調(diào)[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33(5)：1473-1475.

HU Liao-lin, ZHANG Wei-chao, HUA Den-gxin,etal. Dynamic demodulation of fiber bragg grating sensing based on LabVIEW[J]. Journal of Computer Applications, 2013,33(5)：1473-1475.

[9] KUO Li, ZHEN An-zhou. A high sensitive fiber Bragg grating strain sensor with automatic temperature compensation[J].Chinese Optics Letters,2009,7(3): 191-193.

[10] 黃勇林,李 杰,開桂云,等.光纖光柵的溫度補(bǔ)償[J].光學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 23(6): 677-679.

HUANG Yong-lin,LI Jie,KAI Gui-yun,etal. Temperature compensation for fiber Bragg gratings[J]. ACTA Optica Sinica, 2003, 23(6): 677-679.

[11] 萬(wàn)里冰,王殿富.基于參考光柵的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償[J].光電子·激光,2006,17(1):50-53.

WAN Li-bing,WANG Dian-fu. Research on temperature compensation of fiber Bragg grating stain sensor based on reference grating[J]. Journal of Optoelectronic·Laser, 2006,17(1):50-53.

[12] 張 亮,卓仲暢,韋占雄,等.光纖Bragg光柵溫度補(bǔ)償封裝[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 40 (3): 294-295.

ZHANG Liang, ZHUO Zhong-chang, WEI Zhan-xiong,etal. Temperature-compensating package for fiber Bragg grating[J]. Journal of Jilin University (Science Edition), 2002, 40 (3): 294-295.

[13] Nunes L C S，Valente L C G，Braga A M B．Analysis of a demodulation system for fiber Bragg grating sensors using two fixed filters[J]．Optics and Lasers in Engineering，2004，42(5)：529-542.

[14] 張業(yè)兵，張延惠. 參考光柵法分離光纖光柵溫度和應(yīng)變的誤差分析[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用,2006,21(5):43-46.

ZHANG Ye-bing, ZHANG Yan-hui. Error analysis in FBG differing temperature and strain measurement of reference grating method[J]. Electro-optic Technology Application, 2006,21(5):43-46.

[15] 董天奇,魏達(dá),雷 宇,等. 基于Bragg 光纖光柵傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),2010,30(2):22-26.

DONG Tian-qi, WEI Da, LEI Yu,etal. Monitoring system based on fiber Bragg grating strain sensor[J].Physics Experimentation,2010,30(2):22-26.