光纤Bragg光栅位移和温度双参量传感实验研究

　　1 引言

　　近年来，光纤光栅(FBG)在传感器领域中的应用引起了人们极大的兴趣 。这种用紫外光在光敏光纤光芯中制作的光栅具有易于管线连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高、不受光源功率波动及连接或耦合损耗的影响等特点，因此，作为传感元件具有其它传感器无可比拟的优点。然而，FBG的布拉格波长同时对应变和温度敏感，采用其反射光的单个特征量调制，难以实现应变与温度的区分测量。另一方面，在许多实际的应用场合，同时获取应变和温度信息是非常重要的。对此，人们提出了多种光纤光栅温度和应变同时传感的解决方案，主要有不同光纤光栅组合法 、非对称光纤光栅法 及单光栅法 。相比之下，单光栅法具有使用光纤光栅数量少、传感探头尺寸小、解调简单等优点，更具有发展前景。

　　目前，一种利用单根光纤布拉格光栅实现温度和应变双参数测量的单光栅法正受到广泛关注 ，同样人们提出了多种传感方案，本文就是在此基础上，采用了一种基于等强度梁结构的温度补偿的光纤光栅位移传感方案，将光纤光栅沿梁轴向粘贴在传感梁上，并确保光栅的一半粘贴在梁上，另一半则沿梁轴向呈自由状态，通过两部分光栅对梁自由端位移和温度的不同响应，实现温度和位移的同时测量。

　　2 FBG基本原理

　　3 应变分析及位移测量原理

　　4.2 实验原理

　　整个光纤光栅的一半 沿梁轴向粘贴在传感梁上，另一半 则沿梁轴向呈自由状态，如图 所示。当等强度梁自由端发生侧向位移时，粘贴于梁上的部分光栅 的栅格周期发生了变化，从而导致这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此整个光纤光栅就具有两个反射峰。这两个反射峰具有不同的温度响应，通过监测两个反射峰的波长漂移，可同时确定温度与位移变化情况。

　　由等强度梁的应变分析得到梁上各点的应变为：

　　对于处于自由状态的部分光栅FBGI，传感梁发生形变时，不会使其发生形变。当温度和应力同时变化时，认为该部分光栅的波长漂移不受位移 的影响，而只与温度变化有关。因此，未粘贴在梁上的这部分光栅(FBGI)对变化可表示为：

　　由此可知，只要测得两部分光栅布拉格波长的变化量，就可由式 确定位移和温度的变化。

　　5 实验结果与分析

　　实验测量要求：每次测量前，须首先调零光谱分析仪读数，然后使荷载 应力 从小到大，再逐步减小到原来的空载状态。注意，每次增减荷载时，应使测量系统尽量处于平衡状态。