夹持式温度自补偿光纤布拉格光栅应变传感测试技术 
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1 引言
随着光纤布拉格光栅(FBG)传感技术在实际工程中的广泛应用[1-6],对于FBG的研究越来越深入。温度和应变的变化都会引起FBG波长的变化,剔除温度变化引起的FBG波长的变化,准确得到应变变化对应的波长变化至关重要[7-8]。该问题的典型解决方案是温度补偿法,杜彦良等[9]封装FBG时选用负热膨胀系数材料,薛俊华等[10]利用不同热膨胀系数的内外管封装方式,降低了FBG温度响应,但由于没有与FBG材料完全匹配的热膨胀系数材料,温度补偿精度受到影响。郑建邦等[11-12]分别设计了不受温度影响的菱形框架双FBG传感结构和圆环式FBG结构,实现了温度自补偿。FBG的交叉敏感也可以采用应变和温度同时测量的方法,郭团等[13]在光纤同一位置重叠写入不同栅距的FBG,利用双FBG矩阵运算法分别量测出温度和应变的变化,但该方法需要两个性能参数相同的FBG,成本高但存活率不高。万里冰等[14]采用温度FBG与应变FBG串联,得到了只影响波长变化的应变值,但不能完全保证温度FBG和应变FBG受温度影响一致。本文提出了一种夹持式封装的FBG温度自补偿传感器,温度补偿FBG与应变FBG串联在一起,形成一个FBG应变传感结构,采用双层钢管夹持式封装方式,不但实现了温度补偿,而且实现了应变增敏;同时采用封装细管悬空装置使封装内管悬空,解决了采用不同热膨胀系数和负温度系数材料温度补偿方法稳定性较差的问题。
2 FBG交叉敏感原理
光纤光栅是基于掺锗、磷等光纤材料非线性吸收效应,利用紫外全息曝光法制成的一种折射率发生周期性变化纤芯内光栅。不同中心波长的光通过FBG反射或射出[6],FBG工作原理如
式中:
FBG对应变和温度交叉敏感,当外界应变和温度发生变化时,引起FBG中心波长的变化量Δ
式中:Δ
3 FBG温度自补偿原理及结构设计
3.1 FBG温度自补偿原理
为了解决FBG同时受温度与应变影响的问题,将温度补偿FBG与应变FBG串联在一起,应变FBG测量应变,但其同时还受到温度的影响,而温度FBG只受温度的影响。根据(3)式,不考虑温度和应变对FBG的耦合效应时,FBG中心波长变化可表示为
式中:
由(4)式可知,两根FBG的波长变化分别为
由(5)式和(6)式可以得到引起FBG波长变化的应变为
式中:
3.2 夹持式FBG温度自补偿结构设计
夹持式FBG温度自补偿结构示意图如
图 2. 夹持式FBG温度自补偿结构示意图
Fig. 2. Structural schematic diagram of holder-type FBG with temperature compensation
图 4. 夹持式FBG温度自补偿传感器实物图
Fig. 4. Photo of holder-type FBG sensor with temperature compensation
4 标定实验与结果分析
对FBG温度自补偿传感器加热,测试温度FBG结构和应变FBG结构的温度响应。单独测试温度改变导致传感器中温度FBG和应变FBG的波长变化,温度FBG和应变FBG的标定结果如
由实验结果可知,温度FBG和应变FBG受温度变化影响系数分别为0.01052 nm·℃-1和0.01046 nm·℃-1,与裸FBG的理论影响系数0.0105 nm·℃-1符合得非常好。温度FBG和应变FBG受温度变化影响系数非常接近,说明该结构满足实验要求。两者串联后,在10~60 ℃范围内,相对波长产生的变化只有0.006 nm·℃-1,即两者的相对波长变化受温度的影响仅为0.12 pm·℃-1,远小于其单独测试下的变化值,仅为温度FBG和应变FBG受温度变化影响系数的1.14%和1.15%。应变FBG结构受到外力时,应变FBG和温度FBG波长的不同是由应变引起的。
图 5. (a)温度FBG标定;(b)应变FBG标定
Fig. 5. (a) Calibration results of temperature FBG; (b) calibration results of strain FBG
图 6. 温度FBG和应变FBG串联后相对波长的变化
Fig. 6. Shift of relative wavelength after connecting temperature FBG and strain FBG
5 结论
将温度补偿FBG结构和应变FBG结构串联,形成一个FBG应变传感结构,根据两者的相对波长的变化,确定出应变FBG的实际变化,从而实现温度自补偿。采用双层钢管夹持式封装方式,不但实现了温度补偿,而且可以实现应变增敏。利用封装细管使温度FBG封装内管悬空,避免了温度FBG波长受外力作用的影响。FBG两端通过夹持支座固定在被测构件上,温度标定实验下的夹持式FBG温度自补偿结构受温度变化的影响系数仅为0.12 pm·℃-1,实现了FBG测量的温度自补偿技术。装置在实际工程中安装方便,提高了存活率和测量精度,降低了成本。
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