準分布式FBG對應(yīng)變和溫度雙參數(shù)分離測量的實現(xiàn)

李 薇， 侯 睿，張志俊

(中南民族大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

準分布式FBG對應(yīng)變和溫度雙參數(shù)分離測量的實現(xiàn)

李 薇， 侯 睿，張志俊

(中南民族大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

為解決光纖Bragg光柵(FBG)的應(yīng)變與溫度交叉敏感問題，提出了一種將兩個參數(shù)相同的FBG分別放置于承重梁上下兩端面同時感知應(yīng)變與溫度的方法，通過理論分析計算，實現(xiàn)了應(yīng)變、溫度雙參數(shù)傳感的目的. 該方法既克服了傳統(tǒng)雙參數(shù)分離方法的各種限制，又簡化了分離算法. 標定與測量實驗結(jié)果表明：在溫度0-100℃、應(yīng)變0-40MPa范圍內(nèi)，F(xiàn)BG的應(yīng)變與溫度響應(yīng)曲線呈現(xiàn)良好的對應(yīng)關(guān)系，最大相對誤差分別為3.7%和4.2%. 應(yīng)變與溫度分離測量方案簡單易行，將其應(yīng)用于準分布式應(yīng)變定位領(lǐng)域，可以實現(xiàn)應(yīng)變位置的識別與預(yù)警，具有較高的實際應(yīng)用價值.

準分布式；光纖布拉格光柵；雙參數(shù)測量

光纖Bragg光柵(FBG)是一種用紫外激光直接寫入法在單模光纖上刻有沿光纖軸向折射率變化光柵的新型光纖器件，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾和耐腐蝕性等優(yōu)點[1]. 與此同時，F(xiàn)BG便于與光纖結(jié)合，使得全光纖化的一維光子集成成為可能[2]，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、智能樓宇等傳感監(jiān)測領(lǐng)域[3，4]. FBG通過Bragg中心波長的偏移來感知被測量，在實際測量中，一直存在應(yīng)變和溫度的交叉敏感問題[5]. 現(xiàn)有的應(yīng)變和溫度雙參數(shù)分離測量方法主要有以下幾種：1)雙波長矩陣法[6]，該方法通過引入新的參數(shù)，來有效解決應(yīng)變和溫度的交叉敏感問題，但其對所采用光柵傳感器的應(yīng)變靈敏度和溫度靈敏度有一定限制條件；2)兩段式FBG結(jié)構(gòu)法[7]，基于FBG纖芯有效折射率與纖芯半徑的良好相關(guān)性，實現(xiàn)雙參數(shù)測量，但此方法需要用HF酸腐蝕部分FBG傳感器區(qū)域，制作難度較大；3)LPG/FBG混合法[8]，利用LPG和FBG對應(yīng)變和溫度敏感性的差異，實現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時測量，該方法需引入反射強度參量，且對反射端和透射端采集數(shù)據(jù)的同時性要求較高，使得測量系統(tǒng)操作較為復(fù)雜.為了解決該交叉敏感問題，本文采用分別放置于承重梁上下兩端面的光柵對來同時感知應(yīng)變和溫度變化，以實現(xiàn)應(yīng)變、溫度雙參數(shù)傳感的目的. 此外，本文圍繞準分布式的FBG應(yīng)變定位原理進行了探討，并進行了較詳盡的實驗標定與測量.

1 雙參數(shù)測量光柵對結(jié)構(gòu)模型與理論分析

雙參數(shù)測量光柵對結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，兩個相同的光纖Bragg光柵FBG1和FBG2分別粘貼在承重梁的上下兩端面，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過隔離器與耦合器進入到光柵中，采用光譜儀觀測反射后的中心波長變化. 兩個光纖Bragg光柵的初始中心均為λB，如圖2所示，當(dāng)壓力傳送產(chǎn)生作用時，承重梁的形變使得位于上端面的FBG1被壓縮，位于下端面的FBG2被拉伸，且兩個光纖光柵所受的應(yīng)變始終大小相等，但方向相反. 此時，兩個光纖Bragg光柵的中心波長分別變?yōu)棣薆1和λB2，均發(fā)生了偏移.

圖1 光柵對結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of grating pairs

光纖Bragg光柵的中心波長偏移與應(yīng)變和溫度有如下關(guān)系[9]：

ΔλB=Kεε+KTΔT,

(1)

由式(1)可知，F(xiàn)BG中心波長偏移量ΔλB與光柵的靈敏度系數(shù)Kε、應(yīng)變量ε、光柵溫度系數(shù)KT和溫度變化量ΔT有關(guān)，可將其等效為：

ΔλB=Δλε+ΔλT,

(2)

其中，Δλε為僅由應(yīng)變引起的中心波長偏移，ΔλT為僅由溫度變化引起的中心波長偏移. 當(dāng)承重梁發(fā)生形變時，光柵對FBG1和FBG2的反射光中心波長均會產(chǎn)生偏移，如圖2所示，F(xiàn)BG1的中心波長偏移至λB1，F(xiàn)BG2的中心波長偏移至λB2.

圖2 光柵對反射光譜Fig.2 Reflectance spectra of grating pairs

FBG1和FBG2的中心波長偏移量分別為ΔλB1和ΔλB2，對應(yīng)有：

ΔλB1=λB1-λB=Δλε1+ΔλT1,

(3)

ΔλB2=λB2-λB=Δλε2+ΔλT2.

(4)

兩個光纖Bragg光柵采用同一光敏光纖寫制而成，故其溫度特性可視為相同，溫度的變化不會引起反射光譜峰值間隔的變化[10]，即：

ΔλT1=ΔλT2.

(5)

當(dāng)承重梁彎曲時，僅考慮應(yīng)變引起的中心波長變化，若FBG1的Bragg波長減小了Δλε1，則FBG2的Bragg波長則相應(yīng)增大了Δλε1[11]，即：

Δλε1=-Δλε2.

(6)

由式(3)～(6)可得：

(7)

(8)

由式(7)、(8)可知，根據(jù)光譜儀觀測到的波長偏移狀態(tài)，可分別識別出應(yīng)變量和溫度值. 既能夠克服雙波長矩陣法中對光柵傳感器的應(yīng)變靈敏度和溫度靈敏度的限制條件，又無需進行兩段式FBG結(jié)構(gòu)法中的特殊光柵寫制和LPG/FBG混合法中的多參量測定，僅根據(jù)中心波長的偏移狀態(tài)即可解決測量過程中應(yīng)變和溫度的交叉敏感問題.

2 準分布式多光柵對應(yīng)變定位原理

將上述雙參數(shù)測量光纖Bragg光柵等間距布置于承重梁上，如圖3所示，并對光柵對進行編號(1#, 2#，…，n#). 當(dāng)重物置于某光柵對上時，承重梁將產(chǎn)生形變，從而使得承重梁上的光柵對均隨其發(fā)生形變. 各光柵對的反射光經(jīng)過MOI-SM125波長解調(diào)儀，由PC上位機中的LabVIEW軟件解調(diào)出峰值波長值. 由式(7)、(8)可知，當(dāng)重物作用在某光柵對上時，該光柵對中的兩個光柵中心波長的相對偏移量最大，從而能夠識別出被施加重物的光柵對編號.

圖3 基于多光柵對準分布式應(yīng)變點定位原理圖Fig.3 Schematic diagram of stain point location based on quasi-distributed grating pairs

3 實驗與結(jié)果分析

將圖1所示的帶有封裝結(jié)構(gòu)的光纖Bragg光柵測試模塊放入高低溫箱中，模擬承重梁受力狀態(tài)，進

行溫度和應(yīng)變的雙參數(shù)標定實驗研究. 實驗所采用光柵的Bragg波長均為1558.6nm，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過3dB耦合器進入FBG1和FBG2中，反射光進入光譜儀以便觀測光譜狀態(tài).

首先進行應(yīng)變標定實驗. 保持高低溫箱的溫度恒定為20℃，以0MPa壓強作為加載起點，按照每次2MPa的壓強間隔不斷加載，直至壓強為40MPa；然后以40MPa作為起點，按照2MPa的壓強間隔做卸載，直至壓強為0 MPa，并記錄光柵對的中心波長變化情況，反復(fù)5次加載與卸載，剔除一些明顯誤差數(shù)據(jù)，可擬合出實驗所用光纖Bragg光柵的應(yīng)變響應(yīng)曲線，如圖4(a)所示. 光纖Bragg光柵的溫度標定實驗則保持應(yīng)變恒定不變，在0～100℃范圍內(nèi)，以5℃為間隔量調(diào)節(jié)高低溫箱的溫度，測量每個穩(wěn)定狀態(tài)下的光柵中心波長值，從而擬合出光纖Bragg光柵的溫度響應(yīng)特性曲線，如圖4(b)所示.

圖4 Bragg光柵的測量響應(yīng)曲線Fig.4 Measurement response curve of Bragg grating

根據(jù)上述實驗所得標定曲線可得光柵的靈敏度系數(shù)與溫度系數(shù)，結(jié)合前面所述理論分析部分的式(7)、(8)，能夠通過測量系統(tǒng)上位機測算出實時的應(yīng)變與溫度測量值，并與實際值進行比較，如圖5所示. 光纖Bragg光柵實際值與測量值之間偏差較小，應(yīng)變測量的最大相對誤差發(fā)生在20MPa附近，約為3.7%，溫度測量的最大相對誤差發(fā)生在45℃附近，約為4.2%.

在上述實驗條件下，進行了準分布式單點應(yīng)變定位實驗. 承重梁上下兩端面分別貼有兩根傳感光纖，每條傳感光纖上制了6個Bragg光柵，呈等間隔均勻排列，并對其進行編號，如圖3所示. 將重物分時放置于各段光柵對上，采用上述實驗結(jié)果測算出每個應(yīng)變狀態(tài)下，各段光柵對中心波長峰值偏移量的最大值，如圖6所示. 當(dāng)重物施加于某編號的光柵對上時，此光柵對的中心波長峰值偏移最明顯. 由此可見，通過峰值偏移程度可推算出應(yīng)變產(chǎn)生的光柵對編號.

4 結(jié)論

本文通過分析準分布式FBG應(yīng)變定位原理，采用分別放置于承重梁上下兩端面的光柵對來同時感知應(yīng)變和溫度變化，通過較詳盡的實驗標定與測量可得到如下結(jié)論.

(1)采用兩個相同的光纖Bragg光柵，分別粘貼于承重梁的上下端面，實現(xiàn)承重梁發(fā)生形變時，兩個Bragg光柵的中心波長朝不同方向偏移，僅根據(jù)中心波長的偏移狀態(tài)即可解決測量過程中應(yīng)變和溫度的交叉敏感問題.

圖5 實際值與測量值的關(guān)系曲線Fig.5 Relation between actual value and measured value

圖6 準分布式光柵對中心波長偏移狀態(tài)Fig.6 Center wavelength migration of quasi-distributed grating pairs

(2)通過實驗測得的應(yīng)變/溫度數(shù)據(jù)較實際應(yīng)變/溫度值存在一定差異，一方面由于理論分析時認為兩個Bragg光柵完全一樣，具有相同的溫度系統(tǒng)，但實際上略有差別；另一方面由于光柵的膠層涂覆也不盡相同.

(3)準分布式光柵應(yīng)變點定位方法能夠準確識別出重物應(yīng)變施加位置，但定位精度與各光柵對之間的間隔有關(guān)，且當(dāng)應(yīng)變施加于兩光柵對之間時，需要更加復(fù)雜的算法來確定其位置.

[1] 方祖捷, 秦關(guān)根, 瞿榮輝, 等. 光纖傳感器基礎(chǔ)[M].北京: 科學(xué)出版社, 2014: 58-64.

[2] Peng P C, Tseng H Y, Chi S. Long-distance FBG sensor system using a linear cavity fiber raman laser scheme [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16 (2): 575-577.

[3] Tan C H, Shee Y G, Yap B K, et al. Fiber Bragg grating based sensing system: Early corrosion detection for structural health monitoring [J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 2015, 246 (8): 123-128.

[4] Singh D B, Suryanarayana G K. Application of fiber bragg grating sensors for dynamic tests in wind tunnels [J]. Indian Institute of Science, 2016, 96 (1): 47-52.

[5] 王 鑫, 王俊林. 光纖Bragg光柵應(yīng)變、溫度區(qū)分測量方法研究[J].光器件, 2012(5): 34-36.

[6] 李 薇, 侯 睿, 楊文俊. 基于溫度減敏的光纖Gragg光柵應(yīng)變傳感器[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2013(5)：1-2, 6.

[7] 趙洪霞, 程培紅, 鮑吉龍, 等. 一種兩段式FBG應(yīng)變和溫度同步測量的實現(xiàn)[J]. 光電子·激光, 2014, 25(6): 1071-1074.

[8] 陳麗娟. 基于LPG-FBG級聯(lián)結(jié)構(gòu)的濃度和溫度雙參量測量系統(tǒng)[D]. 重慶: 重慶郵電大學(xué), 2014.

[9] Wu Q, Okabe Y, Wo J. Fiber sensor based on interferometer and bragg grating for multiparameter detection [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2015, 27 (12): 1345-1348.

[10] Peng P C, Lin W P, Chi S. A self-healing architecture for fiber bragg grating sensor network [C]//IEEE. The 3rd IEEE International Conference on sensors. Vienna: IEEE, 2004:60-63.

[11] 葉 婷, 梁大開, 曾 捷, 等. 基于弓形梁增敏結(jié)構(gòu)的FBG振動傳感器研究[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2012, 33 (1): 139-145.

TheImplementationofTwo-ParameterMeasurementofStrainandTemperatureUsingQuasi-DistributedFBG

LiWei,HouRui,ZhangZhijun

(College of Computer Sciences, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China)

In order to solve the cross sensitivity problem of strain and temperature measurement existing in Fiber Bragg Grating, a scheme that implement two-parameter measurement of strain and temperature by placing two FBG at upper and lower end face of a bearing beam is presented. This scheme can both overcome the restriction of traditional two-parameter measurement method and simplify the separation algorithm. Calibration and measurement experiments results indicated that the response curves of strain and temperature demonstrate good corresponding relationship in the range of 0～100℃ and 0～40MPa, and the maximum error is 3.7% and 4.2% respectively. This scheme is feasible to locate the position of strain point in quasi-distributed FBG, and has high application value.

quasi-distributed；FBG；two-parameter measurement

2016-09-02

李 薇(1982-)，女，講師，博士，研究方向：新型傳感器技術(shù)與應(yīng)用，E-mail: liwei@mail.scuec.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項目(61503418)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費項目(CZY15008)

TP23

A

1672-4321(2017)04-0084-04