光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题.pdf

第09卷 第3期 中 国 水 运 Vol.9 No.3 2009年 3 月 China Water Transport March 2009 摘 要：解决光纤光栅传感器波长信号的交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是光纤光栅传感器应用中的一 个必须面对的问题。文章从理论上分析了引起交叉敏感的物理机制，全面地介绍了国内外各种解决此问题方案及最 新进展，并对各种方案的其主要特点进行了分析。 关键词：光纤光栅；传感；交叉敏感 中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2009）03-0101-02 引言 殊性能光纤光栅法等，下面我们对这些方案分别进行介绍。 作为传感元件，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、灵敏 二、双波长法 度高、重复性好、质量轻、探头尺寸小、传输距离远等优点， 双波长法是采用两个参数不同的光纤光栅对同一点进行 目前已经在航天、航海、核工业、石油开采、电力系统、医 应变温度测量，安装两个光纤光栅时，应使它们之间的距离 疗、科学研究等领域得到了广泛的应用。 足够近，以保证他们所受到的应变、温度是相同的。这样， 光纤光栅传感器的传感信号为波长调制，这一传感机制 可以得到如下方程组： 使其克服了受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器 ⎛∆λB 1 ⎞ ⎛KT 1 K ε 1 ⎞⎛∆T ⎞ = （3） ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ 老化等因素的影响。但是光纤光栅传感器的波长信号中既包 ⎝∆λB 2 ⎠ ⎝KT 2 K ε 2 ⎠⎝∆ε ⎠ 含了温度信息也包含了应变信息，如何将温度信息和应变信 式中，∆λB 1 、∆λB 2 分别为两个光栅的波长变化，KT 1 、 息分离开来是光纤光栅传感器技术中的一个关键问题。 KT 2 分别为两个光栅的温度灵敏度系数， K ε 1 、 K ε 2 分别为 一、物理机制 两个光栅的应变灵敏度系数。由此可以解出测量点的应变 根据耦合模理论可知，光纤布拉格光栅（Fibber Bragg Δ ε 和温度 ΔT。该思想为应变（应力）和温度的同时测量以 Grating FBG）中心反射波长（Bragg 波长）为： 及温度不敏感测量提供了重要理论依据。根据使用光纤光栅 λB =2neffΛ （1） 的数目可将双波长法分为多光纤光栅法和单光纤光栅法。 其中 neff 为导模的有效折射率，Λ 为光栅周期。由（1） 式可知，光纤光栅的中心反射波长 λB 随 neff 和Λ的改变而改 [1]等人提出将中心反射波长分别为 1994 年由 M G Xu 变，而光纤布拉格光栅对于应变和温度都是敏感的，应变影 1298nm 和 848nm 的两个光纤布拉格光栅叠加写在光纤的 响λB 是由弹光效应和光纤光栅周期的变化引起的，温度影响 同一位置上，测量温度和应变。该方案需要两个 ELED λB 则是由热光效应和热膨胀效应等引起的。 （edge-emitt