基于参考光栅的光纤光栅应变测量温度补偿

胡辽林， 张卫超

(西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

光纤光栅(FBG)传感器能够进行温度、应变或其他诸多参量的测量，已经在一些大型建筑结构，如桥梁、铁路、高楼中得到广泛应用[1-8]。光纤光栅传感器是通过布拉格中心波长的漂移感知被测量的。实际测量时，温度和应变是同时存在的，是两个直接导致布拉格中心波长产生漂移的物理量。当光栅用于测量时，无法分辨出应变和温度各自引起的波长变化。因此，在实际应用中必须采取措施进行补偿或区分。国内外对光纤光栅应变测量的温度补偿进行了大量的研究，主要基于两种思想：测量过程补偿和测量结果补偿。测量过程补偿是指通过对传感单元进行特殊设计与布置，使其对温度不敏感从而达到测量应变的目的，如将光栅封装在负温度系数的材料上，抵消光栅的正温度系数[9]或通过特殊构造设计对温度不敏感的传感器[10]；而测量结果补偿是指在测量后经过某种运算和处理对温度效应进行剥离，如参考光纤光栅法[11-15]。基于测量过程补偿的光纤光栅传感器制作工艺复杂，本文使用基于参考光纤光栅的结果补偿方法，结构简单，实验表明，使用该方法测量应变能有效地去除温度带来的影响。

1 基于参考光栅的温度补偿原理

根据耦合模理论，当光在光纤光栅中传输时将产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射，

λΒ=2neffΛ

(1)

式中：Λ为光栅周期；neff为导模的有效折射率；Λ和neff变化都会使布拉格波长λΒ产生“波长漂移”。而作用在光栅上的应变和温度是两个能够直接引起λΒ漂移的物理量。在温度和应变同时作用下的布拉格波长漂移为

ΔλΒ/λΒ=Kεεz+KTΔT

(2)

式中：ΔλB为光栅布拉格(中心)波长变化量；Kε为光纤光栅的应变灵敏度系数；KT为光纤光栅的相对温度灵敏度系数。

设计应变传感器时，由于光纤光栅的交叉敏感特性，温度变化会引起传感器产生误差，所以要采用温度补偿措施来减少或消除温度影响。

参考光栅法就是在应变测量的光栅旁放置另一只光栅，测量光栅与参考光栅串联起来，参考光栅处于自由状态且与被测结构处于相同的温度场中，只感受温度的变化，不受应变的影响，通过数据处理就可以分离出温度的影响。

设测量光栅的中心波长为λB1，同时受应变和温度的影响，由下式得：

ΔλΒ1/λΒ1=Kεεz+KTΔT

(3)

用于温度补偿的参考光栅的中心波长为λB2，它只受温度影响，

ΔλΒ2/λΒ2=KTΔT

(4)

由式(3)和(4)得到应变：

εz=(ΔλΒ1/λΒ1-ΔλΒ2/λΒ2)/Kε

(5)

这就是基于参考光栅的光纤光栅应变测量的温度补偿原理。

2 实验与结果分析

首先用水浴加热法测试裸光纤光栅的温度特性。传感与参考光栅的相对温度特性测量装置如图1所示。宽带光源(ASE)发出的光经3 dB耦合器入射到光纤光栅，反射回来的光再经3 dB耦合器送至光谱分析仪，测量反射光的中心波长变化。测量过程中，以20 ℃为温度起点开始测量，均匀加热使水温上升，使用精度为0.1 ℃的温度计每隔5 ℃记录一次光纤光栅反射谱的中心波长，水温的变化范围为20～85 ℃。一次升温后，再以85 ℃作为温度起点，每降5 ℃记录一次数据，循环测量多次，整理数据。

温度/℃2325303540455055606570758085测量光栅FBG1中心波长/nm1549．2601549．3081549．3541549．4141549．4571549．5081549．5601549．6121549．6621549．7181549．7621549．8241549．8921549．951FBG1波长变化量/nm00．0480．0940．1540．1990．2500．3020．3540．4040．4600．5040．5660．6340．693参考光栅FBG2中心波长/nm1550．5421550．5911550．6421550．6991550．7461550．8011550．8501550．9011550．9541551．0081551．0561551．1151551．1821551．239FBG2波长变化量/nm00．0490．1000．1570．2040．2590．3080．3590．4120．4560．5040．5630．6300．687波长变化量差/nm0-0．001-0．006-0．003-0．005-0．009-0．006-0．005-0．0080．00400．0030．004-0．005

随着温度的变化，两个光纤光栅的中心波长变化以及两个光纤光栅波长变化差如表1所示。经处理后可得单个光纤光栅的温度灵敏度为～10.5pm/℃，在20～85 ℃范围内由温度导致的两个光纤光栅的波长变化差平均每5 ℃为～2.8 pm，即两个光纤光栅的相对波长漂移量对温度的灵敏度为0.56 pm/℃，远小于单个光纤光栅的温度灵敏度。这说明两个FBG间的波长相对漂移对温度的灵敏度(0.56 pm/℃)仅为单个FBG的温度灵敏度(～10.5 pm/℃)的5.6%，当用其中一个FBG作应变测量时，可以用另一个FBG作温度补偿。

为了进一步说明此方法能够有效地进行温度补偿，采用图2所示参考光栅温度补偿装置测量应变。应变测量光栅采用502胶(502胶黏贴基本可以达到刚性黏接)黏贴在等强度悬臂梁的中轴线中心位置，同时遭受温度和应变的影响；参考光栅也放置在同一位置，处于自由状态，只受温度影响。

在悬臂梁自由端加不同的砝码，每添加1 kg砝码记录一次数据。将测得的数据绘制成图，得到测量光栅与参考光栅反射谱中心波长的变化关系见图3。

图3 测量光栅与参考光栅反射波长的变化

由于实验室空调开放，温度相对恒定，为了明显地看到温度带来的影响，采用人为加入温度干扰。由图3可看出，应变测量光栅和参考光栅随温度变化的趋势基本相同。在测量光栅数据上剔除参考光栅中温度变化引起的波长漂移后，得到图4。可见，去除温度影响后ΔλB与所加质量m，即应变呈现线性关系，其拟合方程为ΔλB=46m+3.7，拟合优度R2=0.998。

图4 去除温度影响后线性拟合结果

3 结 语

设计了一种具有温度补偿的光纤光栅应变传感方案，使用一个与测量光栅的各参数相同的光纤光栅作为温度补偿。实验表明，补偿后基本上消除由于温度漂移引起的测量误差，测量结果的线性拟合度0.998，达到了很好的温度补偿效果。采用此方法进行温度补偿，结构简单，成本低，只要精心挑选两只结构和参数完全相同的光纤光栅，就可得到很高的精度。

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