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用于球面间隙测量的布喇格光纤光栅传感器.pdf
四川省电子学会传基器技术专委会第十届学术年会会议论文 传感器研究与应用
用于球面间隙测量的布喇格光纤光栅传感器
丁利华李代生唐俐吴付岗汤紫峰吴俊
(中国工程物理研究院结构力学研究所)
【摘要】本文简要介绍了用于应变、温度测量的光纤光栅敏感元件的传感机理,以及将光纤光栅粘贴在金属弹
片上对球面间隙进行测量的原理.对研制的光纤光栅传感器进行了性能测试,将其用于球面装置上对球面间隙进
行了测量,测量数据显示,与被测球面采用适当结合方式的光纤光栅传感器可用于球面间隙的准确测量。
【关键词】光纤光栅传感器应变温度球面间隙金属弹片
l 引言
随着光纤光栅写入技术的成熟及商用化,使得光纤光栅传感技术研究得到迅速发展。利用光纤
光栅的温度和应变敏感特性,制作的位移、温度、力和振动传感器在一些特殊环境中已得到推广应
用。由于光纤光栅本身固有的体积小、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点,以及采用波长编码方式传输传
感信息的优点,使其测试系统不受光源波动和光缆线扰动以及光电探测器老化等因素的影响,在某
些易燃、易爆、电磁干扰和空间狭小等恶劣环境中得到青睐。本文介绍的布喇格(Bragg)光纤光栅
传感器就是将两根对应变、温度敏感的光纤光栅制作成金属弹片结构,巧妙地与被测球面结合,使
光纤光栅输出信号与球面间隙的变化成线性关系,避开了光纤光栅的应变、温度交叉敏感问题,达
到了只检测光纤光栅波长即可得到球面间隙值的目的。
2光纤光栅
光纤光栅就是利用掺杂了饵、
输
反
锗种内射 等工的率 元艺掺沿 素方杂纤 的法粒轴 纤使子方 芯外相向 的界互呈 光入作周 敏射用期 性光导陛 ,子致的 通和纤永 过纤芯久 某芯折性
变化,在纤芯内形成空间相位光栅,
图l光纤光栅示意图
如图1所示。图中以为光栅的周期,
三为光栅的长度。
当入射光满足下面的相位匹配条件时,特定波长的光将被反射回来。反射光的中心波长为:
五日=2”。伊A (2一1)
式中:
九一Bra鹳光纤光栅的中心波长,也称Bragg波长:
人一Bragg光纤光栅条纹周期;
以。,一Bragg光纤光栅的有效折射率。
由材料特性可知,当外界温度、应变等发生变化会引起光纤材料特性变化,以和‰产生相应的
改变,反射的中心波长移动。通过检测光栅波长的偏移量,可知温度及应变的变化量。本文介绍的
Bragg光纤光栅敏感元件,裸光纤直径为伽.125mm,加涂覆层后直径约为伽.2mm。
3弹片式光纤光栅传感器
3.1光纤光栅应变传感特性
为分析光纤光栅轴向应变的传感特性,从理论上对(2.1)式推导,得到一个适用的波长偏移与
7l
四川省电子学会传基器技术专委会第十届学术年会会议论文 传感器研究与应用
轴向应变的关系式。推导过程均不考虑温度对光纤Bragg光栅的影响。
对式(2.1)方程两边微分:
塑:堕+一dA (3.1)
兄 % A
光纤光栅弹性范围内应变占可以表示为占:
dA
占=一 (3-2)
A
不考虑光纤径向变形(仃,=0)对折射率的影响,光纤在单轴弹性形变下的折射率变化如下:
争:一譬瞄。:一如。怕:堆
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