CN106706160A - 一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统及方法 - Google Patents

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马顺飞
王亚鑫
张爽
刘文飞
邹孟霖
饶云江
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统及方法，所述系统包括宽带光源、隔离器、耦合器、测量装置、解调设备以及数据处理装置，宽带光源、隔离器、耦合器、测量装置顺次通信连接，解调设备分别与耦合器、数据处理装置通信连接。测量装置主要包括：待安装光纤珐珀传感器的特定形状的基片，包含测量臂与一端自由的参考臂；两个光纤珐珀传感器；两段相同的单模光纤，单模光纤用来传导传感信号。本发明简单有效，温度较准效果好，易于实现，并且便于批量生产与安装。同时本发明提供的测量装置可以匹配被测量材料在温度变化环境中实现光纤珐珀传感器的温度补偿。

Description

一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统及方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统及方法的设计。
背景技术
传感器广泛应用于工农业生产实践中，其中光纤珐珀传感器因其具有的结构紧凑，价格便宜，不受电磁干扰等诸多突出的优点得到广泛的应用。然而，传感器通常都有一定的温度系数，即传感器的信号输出在一定程度上会随温度变化而变化，这种现象称之为“温漂”。为了减小温漂，需要采用一些补偿措施从而在一定程度上抵消传感器的漂移或者减小传感器输出信号的漂移量，这就是温度补偿。
应力改变和温度变化是引起光纤珐珀传感器产生信号输出的两个关键因素。然而，在变量测量过程中，应力施加引起的信号变化与温度变化导致的信号变化很难得到区分，这就导致在实际应力测量过程中光纤珐珀传感器存在由于温度变化带来的交叉敏感问题。如果不对光纤珐珀传感器进行温度补偿，在工作环境温度变化较大的情况下测量物体受到的实际应变，势必会存在很大的测量误差。因此必须采取措施以减少或消除这种由温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。
在光纤珐珀传感器安装设计时如何有效的剔除温度的影响将直接关系着最终测试结果数据的准确性。目前很多研究单位仍采用外部区域补偿方式，即光纤珐珀传感器安装位置附近同时安装一个用于测量温度的光纤光栅温度传感器。由于石英材料导热性能差，导致光纤光栅对环境温度的测量速率慢于环境温度或传感器所安装的基底温度的变化速率，故这种方式测量实际应力的误差较大，对于精度要求较高的场合通常无法满足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中温度变化环境下热应变对实际应力测量带来的交叉影响的问题，提出了一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统及方法。
本发明的技术方案为：一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统，包括宽带光源、隔离器、耦合器、测量装置、解调设备以及数据处理装置；宽带光源、隔离器、耦合器、测量装置顺次通信连接，解调设备分别与耦合器、数据处理装置通信连接。
优选地，测量装置包括基片、第一单模光纤、第二单模光纤、第一光纤珐珀传感器以及第二光纤珐珀传感器；基片包括一端自由，另一端固定的参考臂和两端均被固定的测量臂；第一光纤珐珀传感器固定于参考臂上，并与第一单模光纤连接，第二光纤珐珀传感器固定于测量臂上，并与第二单模光纤连接；第一单模光纤和第二单模光纤分别与耦合器连接，用于传导传感信号。
优选地，基片由待测量材料通过线切割的机械加工方法制成。
优选地，第一光纤珐珀传感器通过胶水粘接或焊料焊接的方式固定于参考臂上。
优选地，第二光纤珐珀传感器通过胶水粘接或焊料焊接的方式固定于测量臂上。
优选地，第一单模光纤与第二单模光纤采用石英材质。
本发明还提出了一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿方法，包括以下步骤：
S1、将测量装置的基片通过激光焊接的方式安装到待测量材料表面；
S2、由宽带光源发出的光束经隔离器与耦合器后，分别传输到第一光纤珐珀传感器与第二光纤珐珀传感器；
S3、光束分别在两个光纤珐珀传感器的腔体中发生干涉现象，形成干涉谱；
S4、两个光纤珐珀传感器反射回来的干涉谱信号经耦合器到达解调设备进行解调；
S5、解调后的干涉谱信号经过数据处理装置进一步的分析处理，得到基片受到应力作用下的信号，进而计算出实际被测量结构内部因载荷产生的应变，即计算出了被测量材料所受到的实际应变。
本发明的有益效果是：本发明简单有效，温度较准效果好，易于实现，并且便于批量生产与安装。同时本发明提供的测量装置可以匹配被测量材料在温度变化环境中实现光纤珐珀传感器的温度补偿。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统框图。
图2为本发明测量装置结构示意图。
附图标记说明：1—基片、2—第一单模光纤、3—第二单模光纤、4—第一光纤珐珀传感器、5—第二光纤珐珀传感器；11—参考臂、12—测量臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统，如图1所示，包括宽带光源、隔离器、耦合器、测量装置、解调设备以及数据处理装置，宽带光源、隔离器、耦合器、测量装置顺次通信连接，解调设备分别与耦合器、数据处理装置通信连接。
其中，如图2所示，测量装置包括基片1、第一单模光纤2、第二单模光纤3、第一光纤珐珀传感器4以及第二光纤珐珀传感器5。基片1包括一端自由，另一端固定的参考臂11和两端均被固定的测量臂12。第一光纤珐珀传感器4固定于参考臂11上，并与第一单模光纤2连接，第二光纤珐珀传感器5固定于测量臂12上，并与第二单模光纤3连接。第一单模光纤2和第二单模光纤3分别与耦合器连接，用于传导传感信号。
基片1由待测量材料通过线切割及其他机械加工方法制成。
第一光纤珐珀传感器4通过胶水粘接或焊料焊接等方式固定于参考臂11上，第二光纤珐珀传感器5通过胶水粘接或焊料焊接等方式固定于测量臂12上。两个光纤珐珀传感器尽可能地具有相近的灵敏度。
第一单模光纤2与第二单模光纤3为相同的单模光纤，均采用石英材质，保证了两个光纤珐珀传感器本身对温度不敏感。
本发明之所以能够有效的剔除温度的影响，实现传感器对实际应力的测量，正是因为两个光纤珐珀传感器处于相同的温度环境中。当温度升高时，基片1材料受热膨胀，两个光纤珐珀传感器同时被拉伸；当温度降低时，基片1材料受冷收缩，两个光纤珐珀传感器同时被压缩。对两个光纤珐珀传感器只在温度变化产生的热应力作用下输出的信号做处理，建立对应的关系。在基片1同时受到热应力和外界施加应力共同作用情况下，就可以以参考臂11输出的信号为基准消除测量臂12中传感器应力测量过程中因为温度变化带来的交叉影响，进而实现传感器对实际应变的测量。
本发明还提供了一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿方法，包括以下步骤：
S1、将测量装置的基片1通过激光焊接的方式安装到待测量材料表面。
S2、由宽带光源发出的光束经隔离器与耦合器后，分别传输到第一光纤珐珀传感器4与第二光纤珐珀传感器5。
参考臂11上安装的第一光纤珐珀传感器4由于不受应力作用，干涉谱中只携带由环境温度变化带来的热应变信号。而测量臂12上安装的第二光纤珐珀传感器5则同时受到温度变化带来的热应变以及外界施加的应力作用，干涉谱中携带由于热应变和施加应力的同时作用而引起的珐珀腔腔体长度发生变化这一信号。
S3、光束分别在两个光纤珐珀传感器的腔体中发生干涉现象，形成干涉谱。
S4、两个光纤珐珀传感器反射回来的干涉谱信号经耦合器到达解调设备进行解调。
本发明实施例中，解调设备可由光谱仪替代。
S5、解调后的干涉谱信号经过数据处理装置进一步的分析处理，得到基片1受到应力作用下的信号，进而计算出实际被测量结构内部因载荷产生的应变，即计算出了被测量材料所受到的实际应变。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统，其特征在于，包括宽带光源、隔离器、耦合器、测量装置、解调设备以及数据处理装置；所述宽带光源、隔离器、耦合器、测量装置顺次通信连接；所述解调设备分别与耦合器、数据处理装置通信连接。
2.根据权利要求1所述的温度补偿系统，其特征在于，所述测量装置包括基片(1)、第一单模光纤(2)、第二单模光纤(3)、第一光纤珐珀传感器(4)以及第二光纤珐珀传感器(5)；所述基片(1)包括一端自由，另一端固定的参考臂(11)和两端均被固定的测量臂(12)；所述第一光纤珐珀传感器(4)固定于参考臂(11)上，并与第一单模光纤(2)连接；所述第二光纤珐珀传感器(5)固定于测量臂(12)上，并与第二单模光纤(3)连接；所述第一单模光纤(2)和第二单模光纤(3)分别与耦合器连接，用于传导传感信号。
3.根据权利要求2所述的温度补偿系统，其特征在于，所述基片(1)由待测量材料通过线切割的机械加工方法制成。
4.根据权利要求2所述的温度补偿系统，其特征在于，所述第一光纤珐珀传感器(4)通过胶水粘接或焊料焊接的方式固定于参考臂(11)上。
5.根据权利要求2所述的温度补偿系统，其特征在于，所述第二光纤珐珀传感器(5)通过胶水粘接或焊料焊接的方式固定于测量臂(12)上。
6.根据权利要求2所述的温度补偿系统，其特征在于，所述第一单模光纤(2)与第二单模光纤(3)采用石英材质。
7.一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将测量装置的基片(1)通过激光焊接的方式安装到待测量材料表面；
S2、由宽带光源发出的光束经隔离器与耦合器后，分别传输到第一光纤珐珀传感器(4)与第二光纤珐珀传感器(5)；
S3、光束分别在两个光纤珐珀传感器的腔体中发生干涉现象，形成干涉谱；
S4、两个光纤珐珀传感器反射回来的干涉谱信号经耦合器到达解调设备进行解调；
S5、解调后的干涉谱信号经过数据处理装置进一步的分析处理，得到基片(1)受到应力作用下的信号，进而计算出实际被测量结构内部因载荷产生的应变，即计算出了被测量材料所受到的实际应变。
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