CN1472552A - 基于单个长周期光纤光栅的温度与负载同时测量的方法与测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是基于单个长周期光纤光栅的温度和负载同时测量方法及测量传感器。它是根据高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅具有的谐振波长对特定圆周方向的横向负载不敏感，而谐振峰幅值随负载线性变化，谐振波长随温度线性变化，而谐振峰幅值对温度不灵敏的特性，通过测试其谐振波长对横向负载最不敏感的侧面，将其粘贴或埋入被测量的工程结构中，使上述测试到的光栅谐振波长对负载最不敏感的侧面承受负载，用光谱分析仪测量光栅透射光谱的变化，测得的长周期光纤光栅的谐振波长和幅值的变化从而得到负载和温度的变化。该方法和传感器可望彻底解决工程测量中负载和温度之间的交叉敏感问题，传感器具有体积小、简单易行、无需求解繁杂的矩阵方程、全兼容于光纤、附加损耗小、能埋入智能材料等的优点，从而可实现对工程结构的温度和负载的实时监控。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于单个长周期光纤光栅的温度与负载同时测量的方法与测量传感器。
背景技术
在智能材料和工程结构的健康状态监测中，由于环境温度的变化，横向负载测量的精度时常受到负载和温度之间的交叉敏感影响。通过测量温度可以校正由于温度变化引起的负载测量误差，因此负载和温度同时传感技术在目前是一个非常活跃的研究领域。H.J.Patrick等人发表论文(J.IEEE Photon.Tech.Lett.，1996，Vol.8，No.9，pp.1223-1225)提出了应变和温度同时测量方案，但此方案需要光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的组合，以致传感器成本较高、体积较大、不利于集成。关柏欧等人发表论文(光学学报，2000，Vol.20，No.6，pp.827-830)提出了用一个光纤光栅实现温度和应变的同时测量，但由于此光纤光栅需写于两种光纤的连接处，且部分光栅要粘于热膨胀系数较大的基底材料上，因此测量头结构较复杂，不易实现，且信号解调时需要解复杂的矩阵方程。Y.Liu等人(Electron.Lett.1999，Vol.35，No.8，pp.661-662)发现紫外光写入的长周期光纤光栅的谐振峰负载时分裂为两个峰，并由此设计了负载传感器，但无法实现负载与温度的同时测量。
长周期光纤光栅是近年发展起来的一种新型传感元件。我们于2001年发明了高频CO2激光脉冲在普通光纤中写入长周期光纤光栅的技术(专利号：ZL 002 45055.0)。该长周期光纤光栅具有易于制作、附加损耗小、无后向反射、全兼容于光纤等特点以及具有比光纤布拉格光栅更好的温度、横向负载、折射率和弯曲灵敏度，因此在光纤传感领域可望得到广泛应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种基于单个长周期光纤光栅的温度和负载同时测量方法及传感器。该方法和传感器可望彻底解决工程测量中负载和温度之间的交叉敏感问题，且克服现有的温度和负载同时测量技术需要多个传感器或需要解繁杂的矩阵方程的不足。
利用我们的专利技术(专利号：ZL00245055.0)用高频CO2激光脉冲在光纤中写入一种新型的长周期光纤光栅。单侧入射的CO2激光在光纤表面同时产生反射和透射，由于二氧化硅对10.6μm波长处的激光吸收较强，使得透射光的能量沿激光入射方向逐渐减弱，以致在光纤面向激光入射的一侧激光能量较强，而在背向入射方向的一侧激光的能量较弱，从而导致在光纤横截面上因CO2激光加热而引起的折射率分布不均匀。在光纤面向激光入射的一侧折射率增加较大；而在光纤背向激光入射方向的一侧折射率增加较小。因此，这种新型长周期光纤光栅具有一些独特的特性。横向负载实验表明高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的谐振波长的横向负载灵敏度具有较强的方向相关性，且在两个特定的负载方向上谐振波长对横向负载不敏感，而谐振峰幅值与不同方向的横向负载都有很好的线性关系。温度实验表明该长周期光纤光栅的谐振波长随温度变化而线性漂移，其谐振峰幅值对温度变化不敏感。因此当用长周期光纤光栅对负载不敏感的侧面承载时，分别测量谐振波长和幅值的变化就可以得到温度和负载的变化，从而用单个长周期光纤光栅实现了对负载和温度的同时独立绝对测量。由于谐振峰幅值的测量值为实测值与基准(无透射峰处的幅值)之差，从而消除了光源波动及外界环境引起的光路中光强的变化对测量精度的影响，于是通过测量谐振峰幅值就可以实现对横向负载的绝对测量。
本发明的测量方法如下：
(1)选取用高频CO2激光脉冲在单模光纤中写入的长周期光纤光栅，测试其谐振波长对横向负载最不敏感的侧面，做上标记；
(2)将上述长周期光纤光栅粘贴或埋入被测量的工程结构中，使上述测试到的光栅谐振波长对负载最不敏感的侧面承受负载，并使长周期光纤光栅不要弯曲；
(3)用宽带光源作为输入，用光谱分析仪测量光栅透射光谱的变化，测得的长周期光纤光栅的谐振波长和幅值的变化就可以得到负载和温度的变化。
为实现上述方法，本发明设计了以下基于单个长周期光纤光栅的温度与负载同时测量的传感器结构，它包括光纤，光纤的一端是作为输入的宽带光源、另一端是测量光栅透射光谱变化的光谱分析仪。光纤中的一段是用高频CO2激光在光纤中写入的长周期光纤光栅，粘贴或埋入被测量的工程结构中，长周期光纤光栅处于不弯曲状态，其谐振波长对横向负载最不敏感的侧面承受负载。使用时分别测量谐振波长和幅值的变化就可以得到温度和负载的变化，从而用单个长周期光纤光栅实现了对负载和温度的同时独立绝对测量。
本发明的突出优点是：用一个长周期光纤光栅的谐振波长和谐振峰幅值两个参量实现了对温度和负载的同时独立绝对测量，解决了工程结构测量中温度和负载之间的交叉敏感问题。这种传感器具有体积小、简单易行、无需求解繁杂的矩阵方程、全兼容于光纤、附加损耗小、能埋入智能材料等的优点，从而可实现对工程结构的温度和负载的实时监控，因此该传感器将在光纤传感领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明采用的长周期光纤光栅结构示意图；
图2是用于测试图1中长周期光纤光栅的谐振波长对横向负载最不敏感部位的测试装置结构示意图；
图3是本发明的传感器结构示意图；
图4长周期光纤光栅负载80g·mm-1时谐振波长变化与负载方向的关系；
图5不同圆周方向施加横向负载时谐振波长的漂移曲线，0°，30°，55°，130°，150°表示负载方向；
图6不同圆周方向施加横向负载时幅值的变化曲线，0°，30°，55°，130°，150°表示负载方向；
图7长周期光纤光栅谐振波长与温度的关系；
图8长周期光纤光栅谐振峰幅值与温度的关系。
具体实施方式
首先，我们选用的长周期光纤光栅是用高频CO2激光脉冲在氢载单模光纤中写入的一种新型长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅的结构如图1所示，图中1-1是长周期光纤光栅，1-2是包层，1-3是纤芯。该长周期光纤光栅的周期Λ＝450μm，周期数N＝55，自由状态下谐振波长为1530.82nm，谐振峰幅值为-25.075dB。长周期光纤光栅对横向负载最不敏感部位是用图2所示的装置来测试的。该装置用宽带光源2-1作为输入，用光谱分析仪2-8测量光栅透射光谱的变化。转动转盘2-6可以带动长周期光纤光栅2-2沿光纤轴旋转以便测量不同圆周方向上的横向负载特性，找到该新型长周期光线光栅的谐振波长对负载最不敏感的侧面并做上标记，该侧面即是长周期光纤光栅负载传感器承受横向负载的侧面。位于光纤2-7中部的长周期光纤光栅2-2被放置在负载系统2-5之中的，为了保证光栅受力平衡还并列设置有匹配光纤2-4，2-3为负载。
然后，将上述长周期光纤光栅粘贴或埋入被测量的工程结构中，使上述测试出的谐振波长对横向负载最不敏感的侧面承受负载，并使长周期光纤光栅不要弯曲。
最后，用宽带光源作为输入，用光谱分析仪测量长周期光纤光栅透射谱谐振波长Δλ和谐振峰幅值的变化ΔA，并根据已测定的谐振波长的温度灵敏度KT和谐振峰幅值的负载灵敏度Kg，由式ΔT＝KT·Δλ和Δg＝Kg·ΔA·b就可以得到温度的变化量ΔT和负载的变化量Δg，其中b为图2中所示的承受负载的光栅长度。
上述的后两步方法是用一个特殊设计的传感器来实现的，参见图3：它具有光纤3-2，光纤的一端是作为输入的宽带光源3-1、另一端是测量光栅透射光谱变化的光谱分析仪3-5。光纤中的一段是用高频CO2激光脉冲在氢载光纤中写入的长周期光纤光栅3-4，粘贴或埋入被测量的工程结构中，处于自由不弯曲状态，用长周期光纤光栅的谐振波长对负载最不敏感的侧面承受负载3-3。其中宽带光源的中心波长为1550nm，光谱分析仪的波长灵敏度为0.01nm，幅值灵敏度为0.001dB。由于负载的变化使得谐振峰幅值线性变化而对谐振波长无影响；温度的变化使谐振波长线形漂移而对幅值无影响。这样分别测量长周期光纤光栅的谐振波长和幅值的变化就可以得到负载和温度的变化，从而用一个长周期光纤光栅实现了对负载和温度的同时独立绝对测量。虽然即使在谐振波长对横向负载不敏感的方向负载也会引起谐振波长的变化，但变化量很小，由此给温度测量带来的误差小于0.3℃；另一方面虽然温度的变化也会引起谐振峰幅值的变化，但变化量很小，由此给负载测量带来的误差小于1g·mm-1，所以可以忽略负载和温度的交叉敏感给测量带来的误差。温度测量的灵敏度为KT＝-0.3nm·℃-1，横向负载测量的灵敏度为Kg＝-0.1dB·(g·mm-1)-1。
测试长周期光纤光栅的谐振波长对负载最不敏感部位的依据以图2所示的装置为实验装置发现的：即长周期光纤光栅的谐振波长对横向负载的灵敏度具有明显的方向相关性。如图4所示，在圆周0°～180°范围各内存在一个谐振波长发生‘红’移最敏感的方向和发生‘蓝’移最敏感的方向，以及两个对横向负载不敏感的方向。虽然长周期光纤光栅谐振波长对横向负载的灵敏度具有明显的方向相关性，但其谐振峰幅值对横向负载的灵敏度却几乎相同，即方向相关性较弱。每次实验前测量无透射峰处的幅值，并以之为基准，谐振峰幅值的测量值为实测值与基准之差。具体实验结果如图5和图6所示，图中只画出了几个具有代表性的圆周方向(0°，30°，55°，130°，150°)的横向负载特性曲线。图5表明在不同的圆周方向上长周期光纤光栅的谐振波长对横向负载的灵敏度不同，而且在特定的圆周方向上谐振波长对横向负载不敏感(最大变化仅为±0.1nm)。在谐振波长对横向负载比较敏感的圆周方向上，其谐振波长的漂移量与施加的横向负载具有很好的线性关系，最大灵敏度约为±0.03nm·(g·mm-1)-1。图5表明在圆周的各个方向上，谐振峰幅值都随着负载量的增加而线性地减小且其灵敏度几乎相同，约为0.1dB·(g·mm-1)-1。温度实验结果如图7和图8所示，图7表明谐振波长随温度线性变化，其灵敏度为-0.3nm·℃-1，远大于高频CO2激光脉冲在普通光纤中写入的长周期光纤光栅的温度灵敏度(约0.05nm·℃-1)。图8表明谐振峰幅值几乎不随温度变化，在温度-40℃～+120℃范围内最大变化仅为±0.1dB。
Claims (4)
1 基于单个长周期光纤光栅的温度与负载同时测量的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)选取用高频CO2激光脉冲在单模光纤中写入的长周期光纤光栅，测试其谐振波长对横向负载最不敏感的侧面，做上标记；
(2)将上述长周期光纤光栅粘贴或埋入被测量的工程结构中，使上述测试到的其谐振波长对横向负载最不敏感的侧面承受负载，并使长周期光纤光栅不要弯曲；
(3)用宽带光源作为输入，用光谱分析仪测量光栅透射光谱的变化，测得的长周期光纤光栅的谐振波长和幅值的变化就可以得到温度和负载的变化。
2、用于实现权利要求1所述方法的测量传感器，包括有光纤，光纤的一端是作为输入的宽带光源，另一端是测量光栅透射光谱变化的光谱分析仪，其特征在于光纤中的一段是用高频CO2激光脉冲在光纤中写入的长周期光纤光栅，粘贴或埋入被测量的工程结构中，处于不弯曲状态，用长周期光纤光栅的谐振波长对横向负载最不敏感的侧面承受负载。
3、根据权利要求2所述的测量传感器，其特征在于长周期光纤光栅具有下特性：该长周期光纤光栅的谐振波长对特定圆周方向的横向负载不敏感，而谐振峰幅值随负载线性变化；谐振波长随温度线性变化，而谐振峰幅值对温度不灵敏。
4、根据权利要求2所述的测量传感器，其特征在于所述的长周期光纤光栅是用高频CO2激光脉冲在普通单模光纤或在氢载单模光纤中写入的。
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