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1、光纤光栅应变传感测量中的温度补偿问题第42卷,第4期2005年4月激光与光电子学进展Vd.42.N0.4Apt.2005光纤光栅应变传感测量中的温度补偿问题李国利-李志全.青岛滨海学院机电T程系,青岛266555;\.燕山大学仪器科学与程系,秦皇岛066004/要从光纤Bragg光栅应变,温度交叉敏感的物理机制}十1发,在温度过程补偿和结果补偿的概念蛙础上分类综述了国内外关于交叉敏感问题的解决方案,介绍了各类方案的T作原理,同时提}十5了一种双金属补偿结构.关键词光电子学光纤布拉格光栅应变测量交叉敏感温度补偿ResearchoftheTemperatureCompen
2、sationforStrainSensingMeasurementofFiberBraggGratingLIGuoliLIZhiquanf~Mechanical&ElectronicEngineeringDepartment,QingdaoBinhaiCollege,Qingdao266555\trumentScienceandEngineeringDepartment,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004/AbstractThephysicalmechanicsofthecrosssensitivityisdescribed
3、int
4、Iispaper.andtheprocesscompensationoftemperatureandtheresultcompensationoftemperatureareproposed,twoclassesofsolutionathomeandabroadarepresented.Theoperatingprinciplesofeachclassofthesolutionsaredescribedbriefly,andaconfigurationoftemperaturecompensationbytwometalsisproposed.Keywordsf
5、iberBragggratingstrainmeasurementcrosssensitivitytemperaturecompensationl引言随着FBG(fiberBragggrating)制作_T艺的日益成熟.FBG传感检测技术得到了迅速发展.在许多应用领域中,包括建筑物和复合材料_T作状态的实时检测,电缆和管道的遥感测试,电力系统中的电磁测量以及医学检测等方面.FBG传感器都得到了广泛的应用I日.这主要是因为它不仅具有光纤传感器尺寸小,重量轻,不受电磁干扰等诸多优点,而且,因其是对波长直接绝对编码,不受光路中功率波动影响,测量精度高;另外,FBG与普通光纤具
6、有天然的兼容性,插人损耗低.使用寿命长,并且易于波分复用.组成分布式测量网络.FBG传感器能同时对温度和应变敏感,这就给应变测量带来了交叉敏感问题.当光纤光栅用于应变传感测量时.很难分辨出应变和温度所分别引起被测量的变化.因此在实际应用中必须采取措施进行补偿或区分.近年来.人们已经开始研究光纤光栅的交叉敏感问题并提出了一些解决方案IsI,例如,引人参考光栅实现温度补偿的应变测量.施加与温度作用相反的应变以补偿温度引起的波长变化,双光栅矩阵法等.2基本原理由耦合模理论可知.FBG的Bragg波长为B=2n~A(1)式中neff为纤芯的有效折射率;A为栅格周期.由(1)式可
7、以看出,Bragg波长B随neg和A的改变而改变.应变作用下的光弹效应导致折射率的变化,形变使光栅常数变化:温度导致的光热效应使有效折射率改变,而热膨胀系数致使光栅常数改变.先忽略温度和应变的交叉敏感,分别考察仅在单一的温度或应变作用下的传感特性.温度引起光纤光栅Bragg波长的变化为收稿日期:2004—09—27;收到修改稿日期:2004—11-25作者简介:李同$1J(1973～),男,汉族,¨J东滨州人,燕山大学仪器科学与T程系2001级硕士研究生,现为青岛滨海学院机电丁程系讲师,电子技术教研室主任,主要从事光纤传感及光电检测技术方面的研究.E—mail:ligu
8、oli@seis.ac.cn置第42卷.第4期2o05年4月△B/2B=+亭)△7△T(2)其中=1为光纤的热膨胀系数,亭=.等为光纤的热光系数,为光纤光栅相对波长温度灵敏度系数.由(2)式可知,与△存在着线性关系,通过检测波长的移位,即可确定被测温度变化量.光纤轴向应变￡引起的光纤光栅Bragg波长变化公式为△B/2B:(1一￡.:K￡.(3)式中,为有效弹光系数,=IFl2一v(Ptt+Pl2)]/2,其中PP为弹光系数,为光纤泊松比;为光纤光栅相对波长应变灵敏度系数.与温度类似,与￡也成线性关系,南.可方便地求出外界应变￡.南上可知
