CN101105404A - 一种利用单根光纤光栅同时测量温度和应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明可利用单根光纤光栅同时测量温度和应变。通过测量光纤光栅的反射带宽来测量应变。方法是：从宽带光源发出的光经过3dB耦合器后入射到贴在待测物表面的测量光栅上，从测量光栅上反射回来的光经3dB耦合器入射到可调谐的F－P腔内，通过压电陶瓷的控制对反射光谱进行扫描，使用光敏二极管接收F－P腔的透射光，并将光信号转换为电信号，通过A/D转换系统将采集到的电信号送到计算机进行采样分析，同时计算机产生的控制信号经D/A转换装置，送回到压电陶瓷的控制系统中控制F－P腔的扫描采集过程，并在计算机上显示相应的谱线，数据处理后即可得到光纤光栅的反射带宽和峰值反射率，并计算出相应的应变和温度值。

Description

一种利用单根光纤光栅同时测量温度和应变的方法

技术领域

本发明涉及一种利用单根光纤光栅同时测量温度和应变的方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤光栅是一种新型的无源光子器件，可制成各种传感器件，与传统的电传感器及其它光纤传感器相比，光纤光栅传感器具有传感头结构简单、体积小、轻柔、抗腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度、分辨力高等特点，适合埋入大型结构中，不但可测量结构内部的应力、应变及结构损伤，而且与光纤之间存在天然的兼容性，可在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；适合在恶劣环境中工作。由于具有上述优点，近年来，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天、新型材料等领域得到了广泛的应用。

目前光纤光栅传感器常用的区分温度与应变效应技术的基本原理，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，通过确定两个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用两个二元一次方程解出温度与应变。这些技术包括：混合FBG(光纤布喇格光栅)/长周期光栅(long period grating)法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P(法布里-珀罗)腔集成复用法、双FBG重叠写入法，这些方法都需要两个光纤光栅传感器，分别测出这两个光纤光栅传感器的峰值反射波长，然后根据事先确定的这两个光纤光栅峰值反射波长的温度和应变灵敏度系数，计算出待测物体的温度和应变值，结构比较复杂。最近也有人提出采用一个光纤光栅同时测量温度和应变的方法，一种是把光栅写在不同掺杂浓度的两种光纤的连接处；另一种是将一个光纤光栅的一部分固定在施加了预应变的悬臂梁上，另一部分则处于自由状态；这两种方案的实质都可以将这一个光栅视作两个温度和应变灵敏度不同的光栅，且具有制作复杂、测量范围小等缺点

发明内容

为克服上述缺点，本发明提出一种新的利用单根光纤光栅同时测量温度和应变的方法。本发明的基本思路是：通过同时测量同一根光纤光栅的峰值反射波长和反射带宽，利用光纤光栅的峰值反射波长和反射带宽与温度和应变的不同关系，计算出待测物体的温度和应变。通过测量反射带宽来测量应变。这种方法简单，同时又可避免选择材料时的困难。

一种利用单根光纤光栅同时测量温度和应变的方法，通过测量光纤光栅的反射带宽来测量应变。

测量光纤光栅反射带宽的方法是：从宽带光源发出的光经过3dB(分贝)耦合器后入射到贴在待测物表面的测量光栅上，从测量光栅上发射回来的光经3dB耦合器入射到可调谐的F-P腔内，通过压电陶瓷的控制对反射光谱进行扫描，使用光敏二极管接收F-P腔内的透射光，并将光信号转换为电信号，通过A/D(模数)转换系统将采集到的电信号送到计算机进行分析采样，同时计算机产生的控制信号经D/A(数模)转换装置，送回到压电陶瓷的控制系统中控制F-P腔的扫描采集过程。

经过这样的过程后，在计算机上可以画出相应的谱线，同时对数据进行处理即可得到测量光纤光栅的反射带宽和相应的应力变化值。

反射波长可与反射带宽采用同一装置和方法，同时进行测量，对数据进行处理即可得到测量光纤光栅的峰值反射波长和相应的温度变化值。

本发明工作原理如下：

光纤光栅的反射光谱(或透射光谱)的峰值反射波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界应力和温度的变化对光栅的周期和折射率有影响，从而引起反射峰值的影响，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。通常，温度和应变是直接影响光纤光栅波长变化的物理量。作为传感器，光纤光栅同时对温度和应变两个物理量敏感，对其它物理量的测量都是建立在这两个物理量的基础之上的，因此光纤光栅传感器存在交叉敏感问题，即光纤光栅的峰值反射波长对于应变和温度都是敏感的。当光纤光栅用于传感测量时，应变和温度的变化都会引起光栅峰值反射波长的漂移，使得仅通过测量光纤光栅峰值反射波长的变化无法对温度与应变加以区分。因此如何解决交叉敏感问题是光纤光栅传感器实用化的前提。

本发明从应用光纤光栅制作传感器来测量温度和应变的原理出发，利用光纤光栅的反射谱的基本计算方法，得出光栅结构参数对反射谱的影响及温度、应变对反射谱的影响，寻找差异点，得出解决问题的途径。

研究证明：温度变化引起的布拉格反射波长的漂移，主要是由温度变化引起的有效折射率的改变导致的，并且两者呈良好的线性关系(如图1所示)；光纤光栅受到应力的作用，产生应变，使光纤光栅的有效折射率和光栅栅距发生变化，从而引起布拉格波长的改变。理论研究证明：与温度对布拉格波长影响相同，应变与布拉格波长的变化也呈线性关系(如图2所示)。因此，仅从反射波长的漂移，不能区分温度与应变的变化影响。

图4显示了应变对反射带宽的影响情况，说明了应变对反射带宽存在一定的影响，两者呈良好的线性关系。

由研究得出：温度的改变只会使布拉格波长产生漂移，不影响反射带宽(如图3所示)。而应变的变化同时对光纤光栅的峰值反射波长和反射带宽产生影响，因此从理论上来说，只需要测量光纤光栅的反射带宽即可对应变进行测量，同时排除了温度效应对应变效应的影响。如果能同时测量光纤光栅的峰值反射波长和反射带宽，就可以采用一根光纤光栅实现对温度和应变的双参数同时测量。

本发明可实现单根光纤光栅对温度和应变的双参数同时测量。可以通过单根光纤对温度和应变的同时测量达到简化测量传感器设备，选材容易、降低成本，提高精度的目的。

附图说明

图1是温度对最大反射波长的影响曲线图；

图2是应变对最大反射波长的影响曲线图；

图3是温度对反射带宽的影响曲线图；

图4是应变对反射带宽的影响曲线图；

图5是本发明具体实施方法操作示意框图。

具体实施方式

如图5所示，从宽带光源(1)发出的光经过3dB耦合器(2)后入射到贴在待测物表面的测量光栅(3)上，从测量光栅上发射回来的光经3dB耦合器(2)入射到可调谐的F-P腔(5)内，通过压电陶瓷(6)的控制对反射光谱进行扫描，使用光敏二极管(4)接收F-P腔(5)的透射光，并将光信号转换为电信号，设计电路对电信号进行采集，通过A/D转换(7)系统将采集到的电信号送到计算机(8)进行分析采样，同时计算机产生的控制信号经D/A转换(9)装置，送回到压电陶瓷(6)的控制系统中控制F-P腔(5)的扫描采集过程。经过这样的过程后，在计算机(8)上可以画出相应的谱线，同时对数据进行处理即可得到测量光纤光栅的反射带宽。反射波长可与反射带宽采用同一装置和方法，同时进行测量，对数据进行处理后即可得到测量光纤光栅的峰值反射波长。又由温度和应变对光纤光栅的反射波长和反射带宽有不同的影响，即可通过上述数据得到相应的温度和应变变化值。本发明可以通过测量光纤光栅的反射带宽来对应变参数进行测量，排除温度效应对应变效应的影响，结构简单测量精度高。这些优点是传统的光栅传感器无法达到的。

本发明可广泛应用于航空航天，大型建筑物结构，智能材料等领域，对温度和应变进行精密测量。

Claims (2)

1.一种利用单根光纤光栅同时测量温度和应变的方法，其特征在于：通过测量光纤光栅的反射带宽来测量应变。

2.根据权利要求1所述的一种利用单根光纤光栅同时测量温度和应变的方法，其特征在于：测量光纤光栅反射带宽的方法是：从宽带光源发出的光经过3dB耦合器后入射到贴在待测物表面的测量光栅上，从测量光栅上发射回来的光经3dB耦合器入射到可调谐的F-P腔内，通过压电陶瓷的控制对反射光谱进行扫描，使用光敏二极管接收F-P腔内的透射光，并将光信号转换为电信号，通过A/D转换系统将采集到的电信号送到计算机进行分析采样，同时计算机产生的控制信号经D/A转换装置，送回到压电陶瓷的控制系统中控制F-P腔的扫描采集过程。