光纤光栅应力温度传感器 【技术领域】
本发明涉及一种光纤光栅应力温度传感器，尤其涉及到一种应力和温度同时测量的光纤光栅传感器，属于光电子测试类领域。
背景技术
光纤光栅传感器是以测量反射光谱波长的一种新型传感器，能够用于测量应力、温度等参量，具有灵敏度和精度高，抗电磁、辐射干扰等诸多优良特性，现已被广泛应用于工业、建筑业、航天以及科学研究等各个领域。
由于光纤光栅对温度和应变同时敏感，即温度和应变同时引起光纤光栅峰值波长的变化，所以检测单一光纤光栅峰值波长的变化是无法区分温度和应力两个参量的。为了克服这种交叉敏感效应，人们曾提出了几种解决方案，实现同时测量温度和应力的变化。中国专利(专利号为02282423.5)“基于光纤光栅的应力应变传感器”，应用细不锈钢管匹配叠套的方式分别封装两段光纤光栅，再留出自由膨胀光纤段，能够达到温度补偿的目的，从而能够实现温度和应力的同时测量。不过这种结构的灵敏度和测量精度都不高，同时也不易区分压应力和拉应力。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光纤光栅应力温度传感器，改善原有应力传感器的性能，制作工艺相对简单，可以通过同一套装置实现应力和温度的高灵敏度分离检测。
为实现这样的目的，本发明的光纤光栅应力温度传感器，包括传感探头光纤、绝缘固定框架和两个绝缘移动架，在固定框架上固定一个F形移动架和一个L形移动架，两个移动架互为交错布置，传感探头光纤穿越两个移动架的互为交错部分并固定在固定框架上，传感探头光纤上刻有三段间隔相等的并被移动架交错部分隔开的光纤光栅，其中第一段光纤光栅用来测量应力类型，其余两段反射谱峰值波长相同的光纤光栅用于测量应力和温度参量。
利用传感器进行测量被测物时，固定框架与被测物固定，两个移动架只与固定框架固定，而不与被测物接触。
本发明地传感探头光纤由三段光纤光栅(光纤光栅1、光纤光栅2和光纤光栅3)构成，各反射波长分别为λB1、λB2、λB3，其中λB1＞λB2＝λB3，光纤光栅2、3主要用来测量应力和温度参量；光纤光栅1主要是用来测量应力类型的。
本发明可以有另外一种扩展结构——双方向结构，这种扩展结构采用了两套交错布置的F形移动架和L形移动架、两根分别刻有三段间隔相等的光纤光栅的传感探头光纤，能够测量相互垂直的两个方向的应力。
光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。因此光纤光栅必须满足的相位匹配条件，为：
β1-β2＝2π/Λ (1)
式中，Λ为光纤光栅的周期，β1和β2为耦合模的传播常数，β＝2πneff/λB前向传播为正，后向传播为负，neff为模式的有效折射率。
对于单模光纤，如果正向和反向传输的模式之间发生耦合，这种光纤光栅称为光纤Bragg光栅，则相位匹配条件为：
λB＝2neffΛ (2)
作用于光纤光栅的被测物理量(如温度和应力等)发生变化时，会引起光纤光栅的周期(弹性形变)和有效折射率(光弹效应)发生相应的改变，从而导致透射波长或者反射波长发生漂移。
对于光纤Bragg光栅，由等式(2)微分得到
ΔλB＝2neffΔΛ+2ΔneffΛ (3)
上式表明光纤Bragg光纤光栅反射波长的偏移与光纤纤芯的有效折射率和光栅周期的变化有关。
当应力和温度同时改变时，光纤光栅的Bragg波长就会发生移动，其变化量ΔλBi可表示成：
ΔλBi＝kεiΔεi+kTiΔTi 其中i＝1，2，3 (4)
式中kεi＝λi/εi是与光纤材料的泊松比、弹光系数以及有效折射率有关的常数，其中kε2＝kε3；kTi＝λi/Ti是与光纤的热膨胀系数以及光热系数有关的常数，其中kT2＝kT3。假设长度为L的固定架发生应变Δε时，作用在每段长度为r的光纤光栅的应变为：
Δεi＝LΔε/3r 其中i＝1，2，3 (5)
作用在λB2和λB3光纤光栅的应力变化量始终是相反的，而温度变化量是相同的。当外在作用力是拉应力时，各自变化量ΔλBi为：
ΔλB2＝-kε2Δε2+kT2ΔT2 (6)
ΔλB3＝kε3Δε3+kT3ΔT3 (7)
(7)-(6)得波长变化量差ΔλB’为：
ΔλB’＝2kε2Δε2＝2LkεΔε/3r (8)
令光纤光栅制作时反射谱峰值波长差为Δλ＝λB10-λB20，当有外力作用在传感器上时，测量外力是拉应力还是压应力的参量w为：
w＝λB1-(λB2+λB3)/2-Δλ (9)
当w＞0时，传感器受到的外力是拉应力；当w＜0时，传感器受到的外力是压应力。
光纤光栅的反射谱峰值波长的温度变化量ΔT为：
ΔT＝(ΔλB1-w)/kT1 (10)
从上述工作原理可知，光纤光栅Bragg波长之差ΔλB’越大，波长解调时的时间分辨率、空间分辨率越高；由公式(8)可知，此种结构的光纤光栅应力、温度传感器对应力的测量放大了2L/3r倍，有效的提高了测量灵敏度和精度。
工作时，把传感器固定在被测物上，当受到外界应力或环境温度变化时，作用在固定架上的应力就会传到移动架上，使与移动架相连的光纤光栅发生形变，从而使光纤光栅的反射谱峰值波长发生改变。根据所受压应力和拉应力的不同，调用事先利用最小二乘法拟合两条曲线得到两个经验公式，推算出被测物的所受应力。传感器对温度变化的测量也是如此。
本发明运用差值放大原理，改善和提高了传感器的测量灵敏度和精度，波长解调具有很高的分辨率。同时解决了光纤光栅交叉敏感问题，实现温度和压力的分离检测。本发明还能够判断所受外力是拉应力还是压应力，本发明具有结构简单、成本低、性能稳定可靠、灵敏度高的优点，可以在高电压、强电磁等恶劣环境下工作，具有良好的性价比，预期有很好的市场前景。
【附图说明】
图1为本发明的光纤光栅应力温度传感器的结构示意图。
图1中：1-用于测应力类型的第一段光纤光栅，2、3-用于测应力的第二段及第三段光纤光栅，4-固定框架，5-F型移动架，6-L型移动架。
图2为本发明光纤光栅应力温度传感器的双方向结构实施例示意图。
图3为本发明光纤光栅应力温度传感器应用于测试示意图。
其中：10-宽带光源，7-光谱分析仪，8-本发明的光纤光栅应力温度传感器，9-耦合器。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明光纤光栅应力温度传感器的结构如图1所示，包括传感探头光纤、绝缘固定框架和两个绝缘移动架，在固定框架4的上、下边框上分别固定一个F形移动架5和L形移动架6，两个移动架互为交错布置，传感探头光纤固定在固定框架4上，并穿越固定框架4的上端及两个移动架的互为交错部分，传感探头光纤上刻有三段间隔相等的并被移动架交错部分隔开的光纤光栅，其中第一段光纤光栅1主要用来测量应力类型，是压应力还是拉应力，第二段光纤光栅2及第三段光纤光栅3的反射谱峰值波长是一样的，主要用于测量应力和温度参量。
利用传感器进行测量被测物时，固定框架4与被测物固定，两个移动架只与固定框架4固定，而不与被测物接触。
图2是本发明的另外一种扩展结构——双方向结构，这种扩展结构与图1的基本结构相比，区别在于采用了两套交错布置的F形移动架5和L形移动架6，以及两根分别刻有三段间隔相等的光纤光栅的传感探头光纤。这种如图2所示的结构能够测量相互垂直的两个方向的应力，而图1所示的结构只能测量一个方向的应力。
图3是本发明的光纤光栅应力温度传感器用于测试的示意图。如图3所示，整个测试装置包括光谱分析仪7，光纤光栅应力、温度传感器8、耦合器9以及宽带光源10。宽带光源10发出的光通过耦合器9传到光纤光栅应力、温度传感器8中，由于光纤光栅的作用，会有一定频率的光反射回来，通过耦合器9显示在光谱分析仪上7上，当被测物的应力或环境温度改变时，反射光的频率就会改变，这个在光谱分析仪7上能够清晰体现出来。
本发明构成传感探头光纤的三段光纤光栅(用于测应力类型的光纤光栅1；用于测应力的光纤光栅2、3)，各反射波长分别为λB1、λB2、λB3，制作时使λB1＞λB2＝λB3。
制作移动架和固定架时，移动架的高度略低于固定架，目的是使固定架与被测物接触固定时，移动架只与固定架连接，而与被测物分离。
实验中，把传感器固定在被测物上，配备如图3所示的测试装置，当受到外界应力或环境温度变化时，作用在固定架上的应力就会传到移动架上，使与移动架相连的光纤光栅发生形变，从而使光纤光栅的反射谱峰值波长发生改变。无论传感器受到的是压力还是拉力，反射谱峰值波长相同的两段光纤光栅，一段受压力的作用，另一段受拉力的作用，从而能够进行差动放大测量。而且绝缘材料固定架(长度为L)受到的应力只作用在这三段光纤光栅(长度r)上，对应力的测量放大了L/3r，从而提高传感器的灵敏度。根据所受压应力和拉应力的不同可以测到两条不同的曲线，利用最小二乘法拟合两条曲线，得到两个经验公式。工作时，把测量到的数据根据不同的应力类型代入相应的经验公式，可推算出被测物的所受应力。传感器对温度变化的测量同样根据温度的升高和温度的降低测到两条不同的曲线，利用最小二乘法拟合两条曲线，得到两个经验公式。