高灵敏度自温度补偿光纤光栅应变传感器的设计方法和制作工艺.pdf

本发明提供的是一种高灵敏度自温度补偿光纤光栅应变传感器的设计方法和制作工艺。该传感器把光纤光栅与一根棒串联，利用该棒在温度变化时产生的形变，使光栅的应变产生变化，以补偿因温度变化造成的光栅热光系数产生的变化，使得光栅返回波长不受温度变化影响，而只由待测物体的应变决定。因此，仅通过对该传感器的波长测量即可知应变变化。同时，该传感器结构简单，使用方便。

1.  高灵敏度自温度补偿光纤光栅应变传感器设计方法，其特征为：返回波长变化量
Δλ_B＝λ_B(1-P_e)(d+L)/d*Δε_m。

2.  按照权利要求1所述的结构，其特征在于：应变灵敏度增至(d+L)/d倍。

3.  按照权利要求1所述的结构，其特征在于：与光纤光栅串联的棒的长度和该棒的热膨胀系数的关系为L＝ξ*d/[α(1-P_e)]。可以通过选用不同的材料制作串联的棒，相应改变其长度，以达到在实现自动温度补偿的同时实现不同的应变灵敏度的目的。

高灵敏度自温度补偿光纤光栅应变传感器的设计方法和制作工艺
一、技术领域
本发明涉及光纤传感器，尤其是光纤光栅温度补偿应变传感器的设计方法和制作工艺。
二、技术背景
光纤光栅作为新型传感元件，具有许多其它传感器无法比拟的优点：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰；以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标；使用寿命长等等。
光纤光栅应变传感器在桥梁、土木等行业已广泛使用。然而，光纤光栅对温度和应变共同敏感的特性造成了光纤光栅应变传感器的温度漂移。为了解决该问题，研究人员进行了大量工作。M.G.Xu等于1994年在Electron.Lett.期刊上提出了利用双波长同时测量温度和应变，然后再对应变结果进行温度补偿，以解决光纤光栅应变传感器的温度漂移。其它研究成果大都也是采用不同的方法同时测量温度和应变，然后再对应变结果进行温度补偿。但是，温度应变同时测量使得系统复杂，要求使用特殊元件，且结果误差较大。
因此，研制一种自动的温度补偿应变传感器在此就显得非常有意义。
三、发明内容
本发明提供的是一种高灵敏度自温度补偿光纤光栅应变传感器的设计方法和制作工艺。该传感器的结构如说明书附图所示。光纤光栅与一根棒串联，然后将它们的自由端固定到待测应变的物体。固定时，使光纤光栅具有一定的应变量。当温度变化时，与光纤光栅串联的棒长度产生变化，使得光纤光栅的长度产生大小相等方向相反的变化。通过合理的参数选择，光纤光栅的长度变化引起的返回波长变化可以抵消因温度变化造成的光栅热光系数产生的变化，从而使得光栅返回波长不受温度变化影响，只由待测物体的应变决定。因此，仅通过对该传感器的波长测量即可知应变变化。同时，该传感器结构简单，使用方便。
下面给出该传感器的各参数选择方法。
温度和应变变化引起的光纤光栅返回波长变化量为：
Δλ_B＝λ_B(1-P_e)Δε_FBG+λ_B*ξ*ΔT    (1)
其中，P_e(≈0.22)是弹光常数，ξ是热光系数，ΔT是环境温度变化量，Δε_FBG是光纤光栅的应变变化.
在我们提出的如图1所示的结构中，光纤光栅的应变变化为：
Δε_FBG＝Δd/d＝[Δ(d+L)-ΔL]/d
＝(d+L)/d*Δ(d+L)/(d+L)-L/d*ΔL/L
＝(d+L)/d*Δε_m-L/d*Δε_l
＝(d+L)/d*Δε_m-L/d*α*ΔT    (2)
其中d是光纤光栅的两个粘贴点间的距离，L是与光纤光栅串联的棒的长度，Δε_m是待测物体的应变变化，Δε_l该串联的棒的应变变化，α是该串联的棒的热膨胀系数。
把(2)式代入(1)式，可得光纤光栅返回波长变化量为：
Δλ_B＝λ_B(1-P_e)[(d+L)/d*Δε_m-L/d*α*ΔT]+λ_B*ξ*ΔT
                                                     。  
＝λ_B(1-P_e)(d+L)/d*Δε_m+λ_B*[ξ-(1-P_e)L/d*α]*ΔT
当ξ-(1-P_e)L/d*α＝0，即当该串联的棒的长度L＝ξ*d/[α(1-P_e)]时，有：
Δλ_B＝λ_B(1-P_e)(d+L)/d*Δε_m    (3)
此时，温度变化不再引起光纤光栅返回波长变化量的变化，而被测物体的应变变化在传向光纤光栅时被放大了(d+L)/d倍
四、附图说明
附图是本发明的结构示意图。
其中，1为光纤光栅，2为与光纤光栅串联的棒，3位固定点，4为待测应变物体，5为法兰。
五、具体实施方案
下面结合举例对本发明做更详细的描述：
分以下几个步骤介绍传感器的制作和安装，：
用invar制作两个法兰5，能起到固定连接作用即可。
与光纤光栅串联的棒选用Al(热膨胀系数α＝22×10^-6/℃)制作，其长度
L＝ξ*d/[α(1-P_e)]＝0.39d。
将两个法兰的一端固定于待测应变物体。
先将光纤光栅的一端固定于Al棒的一个端点，再将其另一端固定于法兰。然后，先移动Al棒使光纤光栅具有一定的应变量，在保持其应变的情况下将Al棒固定于法兰，构成如说明书附图所示的传感器。此时，光纤光栅返回波长变化量为1.39λ_B(1-P_e)Δε_m
应变灵敏度增加了1.39倍，为：Δλ_B/Δε_m＝1.39λ_B(1-P_e)＝1.68pm/ustrain
可以通过选用不同的材料制作串联的棒，根据L＝ξ*d/[α(1-P_e)]相应改变其长度，以在实现自动温度补偿的同时实现不同的应变灵敏度。