高双折射光纤光栅的温度/应变解耦方法的研究文献综述
2020-04-14 17:13:15
| 1．目的及意义 1.1 研究目的及意义 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings，FBG)是近年来引起广泛关注并迅速发展的一种新型光纤无源器件，抗电磁干扰、灵敏度高、重复性好、质量轻、探头尺寸小、传输距离远等优点，光纤兼容性好，目前已经在航天、航海、核工业、石油开采、电力系统、医疗、科学研究等领域得到了广泛的应用。但是，FBG 传感器往往不能单独监测一种物理量的变化情况，在测量应力变化的同时还对温度敏感，即出现应力/温度的交叉敏感问题[13]。 由于光栅 Bragg波长对应变和温度都是敏感的，即波长信息里含有应变信息的同时，温度变化的信息也在其中。当光纤光栅用于传感测量时，单光纤光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的 Bragg波长的改变，即存在着应变温度交叉敏感问题。目前国内外许多学者提出了众多解决方案，如双波长法、双参量法、温度（应变）补偿法、具有特殊性性能光纤光栅法进行解耦，这些方案在精度、简易性和实用性等方面还有很大的提升空间。此次课题的目的在于寻找一种新的方法进行光纤光栅检测中的温度、应变解耦，提高应变的检测精度，结构简单，成本更低的实用解决方案具有重要的研究意义与实用机制。 1.2 国内外研究现状 从 1993 年起，人们就已经开始研究光纤光栅的交叉敏感问题。 双波长法是采用两个参数不同的光纤光栅对同一点进行应变温度测量，安装两个光纤光栅时，应使它们之间的距离足够近，以保证他们所受到的应变、温度是相同的。根据使用光纤光栅的数目可将双波长法分为多光纤光栅法和单光纤光栅法。从1994年起，国外M G Xu[1]，S EKanellopoulos[2]，Bhatia[3]等人均提出不同的实行技术方案，但是在实用性以及成本上均不如人意。直到2001年，Y J Chiang[4]等人提出将波长稍有不同的光纤布拉格光栅写在同一根光纤上，分别用两只玻璃管保护并平行放置，一根作为参考光栅，另一根用作传感光栅，感受外来应力的变化。参考光栅法结构简单，只要求一个光源和一个解调系统，但是实际上很难制作出中心波长完全相同的两个FBG，其中一个 FBG保护不足而容易遭到破坏。该技术方案虽然达到较高的线性度以及灵敏度，与热稳定度，结构简单，精度较高，但解调困难，成本较高。 基于单光纤光栅法，国内学者刘云启[7]等人采用两种不同的聚合物对一个光纤光栅进行封装，由于两种聚合物具有不同的力学特性，封装后的光纤光栅会出现两个具有不同的应力和温度灵敏度的反射峰。该方案对光栅起到了保护作用，但对封装材料的膨胀系数以及封装结构的稳定性的要求较高。 双参量法的基本思想是在一个测量点除利用光纤光栅得到一个随温度、应变变化的 Bragg 波长漂移量外，还引入另外一个对应变、温度同时敏感并成线性关系的函数，通过解这两个联立方程实现温度不敏感测量或应变温度同时测量。近些年J June[8] ，O Hadeler[9]等人提出不同的技术方案，大多都可以实现对温度和应力的同时测量，但光路复杂，不具备波长调制的优点。 温度（应变）补偿法是通过对封装结构的设计或对传感探头进行特殊设计，使其某相对物理量对温度（应变）不敏感，从而达到测量应变（温度）或同时测量的要求。该方法仅能测量单参量，而不能同时测量双参量，可以对光栅起到保护作用，但难以同时测量温度和应变，且对加工工艺要求较高，不具有适用性。 2000年，S. Kim[9]等人提出，利用一个一半固定在石英套管上的啁啾光纤光栅来制作应变传感，该方法的缺点是固定在石英套管上的啁啾光纤光栅体积变大，因而在工程应用中受限。 |
2. 研究的基本内容与方案
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2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1 研究的基本内容
本课题拟研究基于高双折射光纤光栅的温度/应变解耦方法，通过实验来完成高双折射光纤光栅双波长信号提取，并对信号进行分析处理还原温度/应变信息。
2.2 研究目标
1.学习理解国内外对应变/温度解耦的方法
2.掌握双波长法的基本原理
3.学习并操作搭建实验平台实现对双峰波长的提取
2.3 拟采用的技术方案及措施
熊猫型保偏光纤在快轴和慢轴方向上的传播常数不同，分别对应快轴和慢轴写入布拉格光栅，此时布拉格光栅具有两个不同的中心波长。由于两个反射峰具有不同的温度、应变响应特性，因而通过检测双折射光纤光栅不同偏振方向的反射波长移动，可获得两个光栅方程构成的方程组，从而可实现温度、应变的同时测量；因此拟采用OFDR技术结合Panda光纤光栅串，在保持超高空间分辨率的同时，可解决分析分布式传感中温度应力敏感的问题。因此拟打算通过OFDR平台的搭建实现解耦研究。由于保偏光纤光栅中两个光纤光栅的中心波长，波长变化量分别与应变Δε和温度的改变量ΔT呈线性关系，则光栅反射的中心波长λf对Δε、ΔT的敏感性可表示为：
#8710;λf=Kεfε KTfΔT （式2-1）
#8710;λs=Kεsε KTsΔT （式2-2）
式中，Kεf、Kεs、KTf、KTs分别为快轴和慢轴两个不同光栅的应变系数和温度系数，由于两个光栅的应变系数和温度系数是不同的，通过方程组，即可得出应变和温度值。
如图2-1所示的OFDR解调原理图，由于熊猫光纤存在快轴和慢轴两种模式，系统中采用保偏型光器件来进行光路搭建。激光器输出的连续光，经过耦合器C1分成两束进入M-Z干涉仪，其中信号臂由光环行器和超长熊猫光栅组成，两干涉臂的光信号在耦合器C2上产生拍频干涉产生拍频信号，由偏振控制器调整偏振方向，通过检偏器来分解快轴慢轴的光信号，在分别通过光电探测器转换为电信号，最后通过电信号的频率和幅度实现传感光栅的位置信息和波长信息的同时解调。
图2-1 超长熊猫光栅传感解调原理图
| 4．参考文献 [1] Tucknott J A , Reekie L , Dong L , et al.Temperature-independent strain sensor using a chirped Bragg grating in atapered optical fibre[J]. Electronics Letters, 1995, 31(10):823-825. [2] Kanellopoulos S E , Handerek V A , Rogers A J .Simultaneous strain and temperature sensing with photogenerated in-fibergratings.[J]. Optics Letters, 1995, 20(3):333-5. [3] Bhatia V , Campbell D , Claus R O , et al.Simultaneous strain and temperature measurement with long-period gratings[J].Optics Letters, 1997, 22(9):648-650. [4] Chiang Y J , Wang L , Liu W F , et al.Temperature-insensitive linear strain measurement using two fiber Bragggratings in a power detection scheme[J]. Optics Communications, 2001,197(4-6):327-330. [5] James S W , Dockney M L , Tatam R P .Simultaneous independent temperature and strain measurement using in-fibreBragg grating sensors[J]. Electronics Letters, 1996, 32(12):1133. [6] Cavaleiro P M , Araujo F M , Ferreira L A , etal. Simultaneous measurement of strain and temperature using Bragg gratingswritten in germanosilicate and boron-codoped germanosilicate fibers[J]. IEEEPhotonics Technology Letters, 2002, 11(12):1635-1637. [7] 刘云启, 郭转运, 张颖, et al. 单个光纤光栅压力和温度的同时测量[J]. 中国激光, 2000,27(11). [8] Hadeler O , R#248;nnekleiv, E, Ibsen M , et al.Polarimetric distributed feedback fiber laser sensor for simultaneous strainand temperature measurements.[J]. Applied Optics, 1999, 38(10):1953. [9] Kim S , Kwon J , Kim S , et al.Temperature-independent strain sensor using a chirped grating partiallyembedded in a glass tube[J]. Photonics Technology Letters IEEE, 2000,12(6):678-680. [10] Iwashima T , Inoue A , Shigematsu M , et al.Temperature compensation technique for fibre Bragg gratings using liquidcrystalline polymer tubes[J]. Electronics Letters, 1997, 33(5):417. [11] 汪冰冰, 李琪, 王宁. 光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题[J]. 中国水运(下半月), 2009,09(3):101-102. [12] 谢剑锋. 光纤光栅埋入后温度、应变解耦分析[J]. 压电与声光, 2011,33(2):185-187. [13] Park S O, Jang B W, Lee Y G, et al.Simultaneous measurement of strain and temperature using a reverse indexfiber Bragg grating sensor[J]. Measurement Science amp; Technology, 2010,21(3):35703-35710(8). [14] Patrick H J , Williams G M , Kersey A D , etal. Hybrid fiber Bragg grating/long period fiber grating sensor forstrain/temperature discrimination[J]. IEEE Photonics Technology Letters,1996, 8(9):1223-1225. [15] Lee S M , Saini S S , Jeong M Y . SimultaneousMeasurement of Refractive Index, Temperature, and Strain Using Etched-CoreFiber Bragg Grating Sensors[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2010,22(19):1431-1433. |
