光纤光栅传感器的应用和研究成果

光纤布拉格光栅是最普通的一种光纤光栅,是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。当光波传输通过光纤布拉格光栅时,满足布拉格光纤光栅条件的光波矢将被反射回来,这样入射光栅波矢就会分成两部分:投射光波矢和反射光波矢,这就是光纤布拉格光栅的基本原理[194-195]。应力(应变)和温度是最能直接显著改变光纤布拉格光栅的物理量。

当布拉格光栅受到外界应力(应变)作用时,光栅周期会发生变化,同时光弹效应会导致光栅有效折射率的变化;当布拉格光栅受外界温度影响时,热膨胀会使光栅周期发生变化,同时,热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。基于光纤布拉格光栅原理的传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长而达到测试被测物理量的目的的[196]。

应力(应变)及温度的变化引起布拉格波长的变化,轴向应变与波长变化值之间的关系为式中　αε——光纤轴向应变下的波长变化关系的灵敏度系数,即

P11,P12——弹光系数,即轴向应变分别导致的纵向和横向的折射率的变化;

γ——纤芯材料的泊松比;

λB——中心波长;

n eff——纤芯有效折射率。

温度变化与中心波长变化之间的关系为

式中　αT——光纤光栅温度传感器的灵敏度系数,即

ζ——热光常数,即

α——热膨胀系数,即

∧——光栅周期。(www.xing528.com)

通过应变、温度传感器基本工作原理可知,因传感器自身的特性,温度变化相对于应变变化对光纤光栅中心波长变化的影响更为明显。由于光纤光栅对应变和温度参数同时敏感,因此,在进行桥梁应变监测时,需要进行温度补偿,通常采用线性补偿方法。这种方法的依据是在0～100℃和0～1%应变的测量范围内,忽略应变-温度交叉灵敏度影响,对测量结果影响很小,可把应变和温度对光栅波长的作用当成独立、线性叠加的。根据上述原理,在应变光栅传感器附近放置温度光栅传感器,使其处在同一温度场下,前者同时感受应变和温度的变化,波长变化由两部分叠加而成;后者仅能感受温度的变化,波长变化由温度引起,但两传感器所感受的温度变化相同。因此,考虑温度变化的应变可计算为

式中　ε——测量应变,με;

ε0——初始应变,με;

λε1——应变传感器初始波长,pm;

λε0——应变传感器实测波长,pm;

λt1——补偿温度传感器初始波长,pm;

λt0——补偿温度传感器实测波长,pm;

Kεt——应变传感器的温度系数,pm/℃;

Ktt——补偿温度传感器温度系数,pm/℃;

Kε——应变传感器的应变系数,με/pm。

因此,在测量光栅的波长漂移中,扣除温度变化引起的波长漂移,即得应变单独作用引起的波长漂移,从而达到温度补偿的目的[197]。