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光纤光栅传感器

2015-5-5 13:48:13点击:
简介
光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感,即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动,使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此,解决交叉敏感问题,实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器,通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数,利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类,即,多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。

多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅(long period grating)法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG/LPG法解调简单,但很难保证测量的是同一点,精度为9×10-6,1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置,提高了测量精度,但光栅强度低,信号解调困难。光纤光栅/F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高,精度可达20×10-6,1℃,但F-P的腔长调节困难,信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高,但是,光栅写入困难,信号解调也比较复杂。


单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度,克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单,但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处,利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单,且解调为波长编码避免了应力集中,但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变,在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后,未粘贴部分的光纤光栅形变恢复,其中心反射波长不变;而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复,从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变,因此,这个光纤光栅有2个反射峰,一个反射峰(粘贴在悬臂梁上的部分)对应变和温度都敏感;另一个反射峰(未粘贴部分)只对温度敏感,通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。