免受溫度影響的光纖光柵位移傳感器-

1、*香港研究資助局資助項(xiàng)目,批準(zhǔn)號為Po lyU 5123/97E 。*永久通訊地址:黑龍江大學(xué)物理系,哈爾濱150080。收稿日期:1999-03-22第20卷第4期2000年4月光學(xué)學(xué)報ACT A OPT ICA SINICA V ol.20,N o.4A pril,2000免受溫度影響的光纖光柵位移傳感器*余有龍*譚華耀廖信義鍾永康關(guān)柏鷗(香港理工大學(xué)電機(jī)工程系,香港董孝義(南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所,天津300071摘要將一定長度、均勻周期的光纖光柵沿軸向剛性粘貼于厚度呈階躍分布的等腰三角狀懸臂梁界線附近的表面上,通過觀測該光柵反射譜中兩個峰值的間距來監(jiān)測梁自由端在垂直于表面方向上的位移。實(shí)

2、驗(yàn)表明該無源溫漂位移線性傳感裝置的傳感靈敏度達(dá)9.2410-2nm /mm,與理論值9.410-2nm/mm 非常接近。關(guān)鍵詞光纖光柵,傳感器,無源補(bǔ)償。1引言光纖光柵(FBG在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用已引起人們廣泛地關(guān)注14。它靈敏度高,對波長絕對編碼,易于復(fù)用且網(wǎng)絡(luò)化,使得對大型建筑物(如水庫大壩、飛機(jī)和潛艇或長距離信號網(wǎng)絡(luò)(如海底光纜的實(shí)時監(jiān)測成為可能。溫度和應(yīng)力是直接影響光纖光柵反射波長的兩個主要的獨(dú)立變化的物理量,其它物理量往往借助某種裝置仍以應(yīng)力的形式作用于光柵2,4,5,光纖光柵本身并不能區(qū)別溫度和應(yīng)力各自的貢獻(xiàn),因此非溫度類光纖光柵傳感器大多難以擺脫溫度的影響,這顯然不利于該類傳感器性能

3、的發(fā)揮。因此有必要發(fā)展免受溫度影響的傳感技術(shù)。單純用光纖通過干涉的方法對位移進(jìn)行傳感6,還沒有完全解決抑制溫度和其它因素引起的相位噪聲問題。我們曾用粗細(xì)均勻、矩形截面的懸臂梁對粘貼其表面軸向光纖光柵的布拉格反射波長進(jìn)行調(diào)諧7。該方法定標(biāo)后用來檢測自由端位移雖然比較靈敏,但它也無法擺脫溫度的影響,測量過程中出現(xiàn)的啁啾現(xiàn)象還會降低傳感分辨率和測量精度。后來又利用重疊在一起的雙等腰三角形懸臂梁裝置對力進(jìn)行溫漂自動補(bǔ)償?shù)膫鞲泄ぷ?,該裝置同樣可以用來對位移進(jìn)行傳感,傳感頭自身的重量引起系統(tǒng)的零誤差往往不能忽略。本文在上述基礎(chǔ)上將梁設(shè)計成厚度呈階躍分布的等腰三角狀,用于傳感的光纖光柵沿軸向粘貼于梁表面厚

4、度界線位置,成功地實(shí)現(xiàn)了無源溫漂補(bǔ)償位移傳感,系統(tǒng)的零誤差非常小,幾乎可忽略。2原理應(yīng)變通過影響光纖光柵的光柵常數(shù)和彈光效應(yīng)引起波長漂移,而溫度則由于熱漲和熱光效應(yīng)使得布拉格反射波長發(fā)生變化,兩者對光纖光柵波長漂移的總貢獻(xiàn)可表示成9$K B K B =(1-p e E x +(A +N $T ,(1式中Ex 為軸向應(yīng)變,$T 為溫差;p e 為有效彈光系數(shù),A 和N 分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。對于均質(zhì)、等厚、等腰三角狀懸臂梁,軸向應(yīng)力分布均勻,若材料的楊氏模量為E ,自由端垂直于表面的壓力為P ,軸向應(yīng)變E x =3P Eh 2cot H ,(2式中h 為梁的厚度,H 為二分之一頂角。

5、若將均勻周期光纖光柵沿軸向剛性粘貼于梁的表面,則可用于對光柵進(jìn)行無啁啾線性調(diào)諧10。如果將梁設(shè)計成圖1所示的厚度呈階躍分布的等腰三角狀,界線A B 與固定端相距a ,與自由端Q 距離為b 。左、右兩側(cè)上表面共面,兩側(cè)厚度分別為h l 和h r 。一定長度的光柵沿軸向剛性粘貼于上表面A B 附近,界線兩側(cè)光柵長度接近相等,用以保證測量過程中兩側(cè)光柵反 射譜峰值接近相等。F ig.1Schematic diag ram o f the desig ned cantilever beam不計光纖對梁上應(yīng)力分布的影響,各側(cè)應(yīng)力沿軸向呈均勻分布,但彼此又有區(qū)別,兩側(cè)光纖光柵波長漂移量分別為5$K Bl

6、K B =3P (1-P e Eh 2l cot H +(A +N $T (t (x 0,(4兩側(cè)光柵的布拉格波長差$K Brl =$K Br -$K Bl =3P (1-P e E (1h 2r -1h 2lK B cot H ,(5軸向向右作為x 軸正向,它與界線交點(diǎn)作為原點(diǎn)O 。梁上考察點(diǎn)處撓度為X (x ,寬度為f (x ,所在截面慣性矩I =f (x h 3i 12(x 0時i =r,x 0時,較高的峰位于右側(cè),反之位于左側(cè),如圖5 所示。F ig .4Reflected spectr a o f the sensing F BG fo rdifferent temper atur

7、e.a:T =0;b:T =18;c:T =35 F ig .5Reflected spectr a of the sensing F BG for differ ent X (b .a:X (b =0;b:X (b 0;c:X (b 0該裝置的傳感分辨率主要取決于光纖光柵的帶寬、光纖光柵粘貼的質(zhì)量以及光譜儀的分辨率,當(dāng)然還與界線兩側(cè)光纖光柵的長度有關(guān),因?yàn)樗P(guān)系到反射譜中兩峰值的相對高低。如果光譜儀的分辨率足夠高,選用較窄帶寬的光纖光柵,將之盡量等長度的剛性地粘貼于界線兩側(cè),將有利于提高該裝置的傳感靈敏度。若上述裝置的光纖光柵充當(dāng)環(huán)形腔光纖激光器的端鏡,觀察雙波長間距用以判斷位移將可極大地提

8、高傳感分辨率。結(jié)論利用厚度呈階躍分布的等腰三角形懸臂梁界線兩側(cè)應(yīng)力分布的差異,將一定長度的光纖光柵沿軸向剛性粘貼于界線附近進(jìn)行位移傳感時成功地實(shí)現(xiàn)了溫漂自動補(bǔ)償。系統(tǒng)的傳感靈敏度高達(dá)9.2410-2nm /mm ,接近理論值9.410-2nm/mm 。受此啟發(fā)若梁的厚度設(shè)計成臺階狀分布,將較長的高反射率的光纖光柵沿軸向粘貼于該區(qū)域,則調(diào)節(jié)自由端撓度的大小可以非常方便地將原來單一周期的光纖光柵調(diào)節(jié)成梳狀光柵,且峰值間距連續(xù)可調(diào)。該項(xiàng)技術(shù)極有推廣價值并有廣闊的應(yīng)用前景。5414期余有龍等:免受溫度影響的光纖光柵位移傳感器542光學(xué)學(xué)報20卷參考文獻(xiàn)1V olanthen M,G eiger H,C

9、o le M J et al.M easur ement of ar bitrary str ain pro files w ithin fiber gr atings.Electr on.L ett.,1996,23(11102810292Xu M G,Geig er H,Dakin J P.F iber g rating pressur e senso r with enhanced sensitiv ity using a g lass-bubble housing.Electr on.Lett.,1996,32(21281293Bhatia V,Vengsarkar A M.Optic

10、al fiber long-period grat ing sensors.Op t.L ett.,1996,21(96926944江毅,陳偉民,楊禮成等.光纖光柵用于應(yīng)變/溫度傳感初探.傳感技術(shù)學(xué)報,1997,3(343475余有龍,關(guān)柏鷗,董孝義等.光纖光柵力傳感器的無源溫漂補(bǔ)償技術(shù).光學(xué)學(xué)報,2000,20(34004046李力,王春華,黃肇明.全光纖低相干光纖位移傳感技術(shù).光學(xué)學(xué)報,1997,17(9126512697余有龍,劉志國,董孝義等.基于懸臂梁的光纖光柵線性調(diào)諧.光學(xué)學(xué)報,1999,19(56216258Y u Y,T am H,L iu Z et al.Passiv e t

11、emper atur e compensation t echnique for fiber Bragg gr ating9Ball G A,M or ey W W.Continuously tunable single-mode er bium fiber laser.Op t.Lett.,1992,17(642042210余有龍,劉志國,董孝義等.基于懸臂梁的光纖光柵無啁啾線性調(diào)諧.光學(xué)學(xué)報,1999,19(7873876Temperature-Independent Fiber Bragg Grating Displacement Sensor Yu YoulongT am HwayaL

12、iu ShunyeeChung WenghongGuan Baiou (Dep ar tment of Electrical Engineering,H ong K ong Poly technic Univ ersity,H ong K ongDong Xiaoyi(I nstitute of M oder n Op tics,N ankai University,Tianj in300071(Received22March1999AbstractA novel technique for fiber Bragg grating displacement sensor temperature-induced w avelength-shift passive compensation is introduced.With a st ep thickness isosceles triangle shape cantilever beam,a fiber grat ing glued on the surface along the beam ax is across the thickness border is employed t o sense the