温度场中应变光纤测试方法
单光纤光栅对温度与应变的同步测量
and temperature measurement
图 1 传感器结构 Fig. 1 Structure of the proposed FBG sensor
3 实验结果和讨论
图 3 布拉格波长与应变的关系 Fig. 3 Relationship between Bragg wavelength and strain
4结 论
提出了一种新型的 FBG 传感器结构, 利用一根 FBG 实现 应变和温度的同步测量, 制备简单, 只需将环氧胶水涂抹于 FBG 的一部分, 并套上金属套管。通过使用高分辨率的解调仪 和保证胶水涂抹均匀, 可以达到约 6. 1 和 1. 0 ! 的应变和温 度测量精确度。
参考文献:
[ 1] Xu M G, Archambault J L, Reekie L, et al. Discrimination be tween strain and temperature effects using dual wavelength fi bre grating sensors[ J] . Electron Lett, 1994, 30 ( 13) : 1085 1 087.
fbg传感器分成等长的两部分每一部分长10mm用环氧胶水涂敷在其中一部分的表面上再套上金属套管初始的反射波长用光谱仪osa154645nm154651nm涂胶后套上金属套管的fbg减少了光纤的折射率因而这部分的布拉格波长要小于另一部分
第 21 卷 第 12 期 2010 年 12 月
光电子 激光
Journal of Optoelectronics Laser
光纤传感网络中的温度和应变监测与测量研究
光纤传感网络中的温度和应变监测与测量研究光纤传感网络（OFAN）是一种基于光纤技术的传感器网络，它利用光纤作为传感器，实现对环境参数的监测与测量。
其中，温度和应变的监测与测量是光纤传感网络中最为重要的研究内容之一。
本文将重点探讨基于光纤传感网络的温度和应变监测与测量的研究进展及应用前景。
1. 温度监测与测量温度是各行各业中普遍需要监测的重要参数之一。
光纤传感网络作为一种高精度和高灵敏度的温度传感器，已经在工业、能源、环境监测等领域得到广泛应用。
光纤传感网络通过测量光纤的光学特性的变化来实现对温度的监测与测量。
目前，光纤传感网络中主要采用的温度传感技术有拉曼散射光纤温度传感、布里渊光纤温度传感和光纤光栅温度传感等。
拉曼散射光纤温度传感基于拉曼散射现象，通过测量光纤中拉曼光的频移来推断温度的变化。
布里渊光纤温度传感则利用布里渊散射现象，通过测量布里渊频移来获得温度信息。
而光纤光栅温度传感采用光纤光栅技术，通过监测光纤光栅的反射光谱来实现对温度的测量。
这些光纤传感技术具有高灵敏度、高精度、抗干扰能力强等优势，能够实现对不同环境中温度变化的实时监测和测量。
因此，它们已广泛应用于电力、化工、冶金、生物医药等领域中对温度的监测与控制。
2. 应变监测与测量应变是材料结构变形的反映，对工程结构安全性和稳定性具有重要意义。
光纤传感网络中的应变监测与测量是评估结构承载能力和预测结构疲劳寿命的关键技术之一。
光纤传感网络中常用的应变传感技术有布里渊光纤应变传感、光纤光栅应变传感和光纤测振应变传感等。
布里渊光纤应变传感利用布里渊散射现象，通过测量布里渊频移来推断应变的变化。
光纤光栅应变传感则利用光纤光栅技术，通过监测光纤光栅的反射光谱来实现对应变的测量。
光纤测振应变传感通过测量光纤中声音的散射来获得应变信息。
这些光纤传感技术提供了一种非接触式、分布式、高灵敏度的应变监测和测量手段，能够实现对结构的长期稳定性、负荷性能和疲劳状况的实时监控。
应变测试方法及标准
应变测试方法及标准一、概述应变测试是产品开发过程中一项重要的质量控制手段，用于检测产品在受到不同程度的外力或应力作用下，其性能和功能是否符合预期。
本篇文章将介绍应变测试的方法及标准，包括测试前的准备工作、测试步骤、数据收集与分析、测试结果的评价与总结等。
二、测试对象应变测试的对象是各种类型的产品，如电子设备、机械部件、建筑材料等。
在进行应变测试时，需要根据产品的类型和特点选择合适的测试样品，以确保测试的准确性和有效性。
三、测试环境测试环境对应变测试的结果影响很大，因此需要选择适宜的环境条件来进行测试。
一般而言，测试环境需要满足温度、湿度、应力方向和加载速度等要求。
具体的环境条件应根据产品的特点和测试要求来确定。
四、测试前的准备工作1. 确定测试样品：根据产品的类型和特点，选择合适的测试样品。
2. 制定测试方案：根据产品的特点和测试要求，制定相应的测试方案，包括测试方法、测试步骤、数据收集与分析等。
3. 准备测试设备：根据测试方案，准备相应的测试设备，如应力加载设备、测量仪器等。
4. 确认测试环境：确保测试环境满足测试要求，并做好记录。
五、测试步骤1. 将测试样品放置在适宜的环境条件下。
2. 使用应力加载设备对测试样品进行加载，模拟不同程度的外力或应力作用。
3. 观察并记录测试样品在加载过程中的性能和变化，如尺寸、形状、颜色、硬度、弹性等。
4. 定期对测试样品进行重复加载，以评估其稳定性和可靠性。
5. 使用测量仪器对测试样品的相关参数进行测量，如应力、应变、强度等。
6. 将测试过程中的数据记录下来，以便后续的数据分析和结果评价。
六、数据收集与分析1. 对测试过程中的各项数据进行分类整理，确保数据的准确性和完整性。
2. 使用图表和表格等形式将数据呈现出来，以便于数据的分析和比较。
3. 分析数据的变化趋势，找出规律和异常点，为后续的测试结果评价提供依据。
4. 将数据分析和比较的结果以报告的形式呈现出来，以便于管理和使用。
感温光纤检测方法
感温光纤检测方法我一开始搞这个感温光纤检测方法，那真的是一头雾水啊。
就跟在黑暗里摸东西似的，完全不知道方向。
我最早就是看书，看那些专业的资料。
哎呀，那些名词什么的，就像一串串乱码在我脑袋里转。
比如说那个散射原理，瑞利散射、拉曼散射啥的，书上写得密密麻麻，可我就是理解不了。
我当时就想，这可咋弄啊。
后来我就想，那我实际操作试试呗。
我找了一段感温光纤，想着测测温度变化。
我先按照最基本的步骤，把光纤接上检测设备。
就像把插头插到插座上那么简单的动作，可我接的时候手都是抖的，生怕弄坏了。
结果呢，啥反应都没有，数值就那样静静地待着，一点都没像我想象中那样跳来跳去显示温度。
我就开始反思，是不是哪一步没做对呢？然后我回去重新看设备说明书，这个东西就像藏宝图一样，你得仔细找线索。
我发现我居然漏了一个初始化的设置，就好像你要开车却没打火一样。
重新设置好之后，设备总算有动静了，但是数值乱得很。
这时候我就意识到光纤的铺设可能有问题。
我又重新铺设光纤，把它尽量铺得直一点，整齐一点。
这就好比你整理电线一样，如果电线缠成一团，电流肯定就不顺了。
为了这个，我来来回回折腾了好几回。
又试了一次，这次数值稳定多了，不过还是有点和我预期的不一样。
我又在想会不会是环境因素的影响呢？比如说周围有其他热源或者干扰源。
我跑到一个比较空旷、干扰少的地方再试，发现结果确实好了不少。
我还试过不同长度的光纤进行检测，这就像是量不同长短的绳子一样。
短的光纤反应比较快，长的光纤有时候数值就会有一定的延迟。
这个我到现在也不确定是不是就是这样的规律，但是在我的测试中是这样体现的。
我觉得如果要学好感温光纤检测方法，那就要多做实验，就像学做饭一样，你光看菜谱不做，肯定学不会的。
不要怕犯错，每一个错误都是你走向正确的一步。
而且一定要把基础的原理搞懂，虽然像瑞利散射拉曼散射那些东西很难理解，但是弄明白对你的检测真的很有帮助。
总结一下就是，一定要认真对待每一个步骤，从设备连接到光纤铺设，从初始化设置到考虑环境因素，每一步都可能影响最后的检测结果。
光纤传感技术中的温度及应变测量研究
光纤传感技术中的温度及应变测量研究光纤传感技术是一种基于光学原理的测量方法，它利用光纤传输光信号，在其传输过程中通过光学传感器对环境参数进行实时监测。
光纤传感技术具有传输距离长、测量精度高、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于工业、能源、环保、安防等领域。
其中，光纤传感技术在温度及应变测量方面的应用较为广泛，成为了目前国内外研究的热点之一。
温度及应变是常见的工程参数，对于各种结构体（如桥、隧道、建筑等）的监测、设备（如飞机、轨道车辆、发电机组等）状态评估以及各种材料的性能测试等都具有重要的意义。
传统的温度及应变测量方法需要使用接触式传感器，其使用存在着测量误差大、易受干扰、易损坏等缺点，限制了其在实际应用中的发展。
而光纤传感技术具有非接触、反应快、精度高、抗干扰能力强等优点，可以克服传统传感器存在的缺点。
光纤传感技术中，温度及应变测量的实现基于光纤布拉格光栅传感技术（Fiber Bragg Grating，FBG）。
光纤布拉格光栅是一种利用光波的布拉格反射原理进行传感的技术，其结构由一定长度的光纤和在光纤中穿过的周期性浮雕组成。
当外界环境参数发生变化时，光纤布拉格光栅的光波需要经历布拉格反射，其反射光波频率发生改变，即通过测量不同频率的反射光波来实现外界环境参数的测量。
在温度测量中，由于热胀冷缩现象的影响，光纤布拉格光栅的晶格常数会发生变化，其反射光波频率也会相应地发生变化。
因此，可以通过测量光纤布拉格光栅反射光波的频率来实现温度的测量。
其具有精度高、灵敏度高、响应速度快、不受干扰等优点，在火电、核电、航天、航空、船舶等领域有广泛应用。
应变测量中，由于物体受到外界力的作用而发生形变，物体表面的应变值不同。
这时，可以在物体表面粘贴一定长度的光纤布拉格光栅或把光纤布拉格光栅与物体表面接触，在物体表面各个点上进行应变或形变的测量。
通过测量反射光波的频率来计算物体表面的应变值。
光纤布拉格光栅传感技术具有许多优点，但是其也存在着一些问题。
FBG光纤光栅的应变和温度传感特性研究与实验验证
光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二光纤光栅传感器增敏与封装 (4)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (5)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (6)5 粘敷式敏化与封装 (7)三光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG与LPFG混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。
当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。
由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。
FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。
当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。
光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。
假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。
光纤应变、温度测量的最新技术与应用
上海横河国際貿易有限公司 吴浩 2004年11月吉日 2004年11月吉日
内容提要
1）为何采用光纤传感技术 2）光纤传感的类别 3）后向散射光及其应用 4）BOTDR的原理及其应用范围 5）ROTDR的原理及其应用范围 6)光纤光栅传感的原理及应用
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1
为何采用光纤传感技术
传统方式 光纤方式
不受电磁干扰 长距离 光通信 应力感应片
雷电
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2
为何采用光纤传感技术
储油储气罐的检测
本质防爆： 本质防爆： 适于易燃易爆等危险品的检测 对电绝缘： 对电绝缘： 适合于高电压场合检测
电力电缆的检测
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3
光纤传感的类别
你的FBG传感系统的波长测试精度够吗 你的FBG传感系统的波长测试精度够吗？ 传感系统的波长测试精度够吗？ 你的波长测试仪器足够的小巧吗？ 你的波长测试仪器足够的小巧吗？
高速 & 高分辨率测量 测量FBG反射谱的功率及中心波长 波长范围： 1527～1567nm 或 1568～1607nm 波长分辨率：<1pm 功率范围： -4dBm ～ -60dBm (0.1nm RBW) 测量速度： 测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz) FBG传感器的最大数量：40 超紧凑 & 高可靠性 220 X 170 X 90 mm ,2Kg (包括供电) 设计高度可靠 (使用寿命 > 10 年) 工作温度：0 to 60℃
FB200
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光纤光栅传感的原理及应用
入射光 入射光
光强
高温应变测量技术
5.1 光纤式叶尖定时传感器 主要研制和生产公 司有美国 HOOD 和 AGILIS 公司。
该传感器不 能在有污染 的条件下使 用，需保持 传感器测头 端面清洁。
5.2 电容式叶尖定时传感器
电容式叶尖定时传感器整体结构示意图
电容传感器测头
根据传感器芯极与叶片端面间形成的电容变化获取叶片的到 来时刻。
1.7 光纤光栅应变计
属于接触式测量方法，将光纤光栅粘贴在叶片表面，类似应 变片法，叶片应力、应变等物理量的变化引起光栅产生波长 位移，从而获取相关信息。
参考文献 [1] 吕文林，航空发动机强度计算，北京：国防工业出版社，1988：58-92. [2] 方志强，涡轮机叶片振动非接触检测原理及应用技术研究：[博士学位论文]，天津；天津大 学，2007. [3] 欧阳涛，基于叶尖定时的旋转叶片振动检测及参数辨识技术：[博士学位论文]，天津；天津 大学，2011. [4] 王仲博，张永宁，袁平等，660 毫米叶片振动特性测试与分析，热力发电，1994, 6: 36-40 [5] 沈凤霞，对称恒定电流激励动态应变测量技术的分析与应用研究，航天器环境工程， 2007, 24(6): 381-385 [6] H. P. Grant, J. S. Przybyzewski, W. L. Anderson, et al. Thin Film Strain Gauge Development Program, NASA /CR, 1983-174707 [7] J. D. Wrbanek, G. C. Fralick. Developing Multilayer Thin Film Strain Sensors With High Thermal Stability. NASA/TM, 2006-214389
温度场中应变光纤测试方法
第29卷第5期力 学 学 报Vol 129,No 151997年9月ACTA M ECHAN ICA SIN ICA Sept 1,1997温度场中应变光纤测试方法1996207220收到第一稿,1997203216收到修改稿1邵立国 冯 健3 杨照东 董存祥33 秦玉文(天津大学力学系,天津300072)3(中国建筑科学研究院,北京100013)33(天津市证券公司,天津300040)摘要 研究温度变化时光纤应变测试系统中的传输光纤和感应光纤产生附加相位的问题1推导出附加相位与温度变化的关系式,提出消除附加相位的补偿法1通过实验分析证明了补偿法对消除附加相位是行之有效的,提高了测试精度1关键词 光纤传感,应变,光纤应变测量引 言1978年Butter [1]首次将光纤传感技术引入应变测量以来,由于其独特的优点(结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等),受到各国的重视1在光纤应变测试方法的研究中,人们发现温度变化对测量产生干扰,如1990年Farahi [2]注意到光纤对应变和温度都具有敏感性;1991年Hogg [3]对光纤应变测试中的温度虚假应变进行了初步的理论探讨和实验分析1同时人们为降低温度的干扰也进行了研究,1990年Vengsarkar [4]采用双模椭圆芯光纤可使应变、温度参数分离达到消除干扰的目的1本文研究温度变化时采用单模光纤进行应变测量时所遇到的问题,通过理论分析,提出补偿法消除温度虚假应变,提高了精度11 光纤应变测试方法的原理图1 光纤微段的参数Fig 11 Parameter of a fiber path 不考虑外界干扰的前提下,粘贴在物体表面的光纤L ,取一微段ΔS (图1)1光波导理论指出,当光纤与物体一起变形时,ΔS 两端面光相位差的变化为ΔΦ1=2πλ(n ΔA +A Δn )(1)式中A =ΔS ,λ为光的波长,n 为纤芯的折射率1根据应变的定义及纤芯折射率的变化与应变和纤芯光弹系数的关系,得光纤应变测量的基本公式ΔΦ1=2πλn (1-c )∫L(εx cos 2θ+εy sin 2θ+γxy sin ,θcos ,θ)ds (2)式中c =n 2[(1-μ)P 12-P 11]/2,μ为光纤的泊松比,P 11,P 12为纤芯的光弹系数12 温度场中光纤应变测量方法的分析 光纤对温度变化是十分敏感的,以激光λ=016382μm 为例,长1,m 的光纤温度每改变1℃,干涉条纹移动17个条纹数[5]1温度场中的传输光纤可以自由伸缩,则ΔΦ2=2πλn αx L +L 5n 5T天津ΔT (3)这里αx 为光纤的热胀系数,ΔT 为温度变化量1式(3)说明温度变化使测试系统产生附加相位,由此计算的应变为虚假应变1设信号和参考光纤产生的附加相位分别为ΔΦ21和ΔΦ22,则消除附加相位的条件是n 1α1L 1+L 15n 15T 1测量ΔT 1-n 2α2L 2+L 25n 25T 2对应ΔT 2=0(4)由此可知,信号传输光纤和参考传输光纤在温度场中的几何长度必须相等,对应点的温度变化相同,而且两光纤具有完全相同的性质1图2 受热时光纤和物体产生不同的伸长Fig 12 Result of different dilation when they are heated 由于物体刚度远大于光纤刚度,因此,物体热胀产生的变形决定了光纤的变形1设物体的热胀系数为αw ,如图2,感应光纤总的伸长量为ΔL 2,其中ΔL 1是温度引起的光纤变形,ΔL 3是物体热胀由于应力作用产生的变形,所以,当温度变化时感应光纤受到温度效应和应变效应的共同作用1则有ΔΦ3=2πλ[L (Δn 1+Δn 3)+n (ΔL 1+ΔL 3)](5)式中Δn 1是热胀时纤芯折射率的变化,Δn 3为应力作用纤芯折射率的变化1根据热胀原理、应变关系及折射率椭球常数与光弹系数的关系,由式(5)得ΔΦ3=2πλL ΔT (n αx +5n 5T-c 1n (6)式中c 1=n 3(αw -αx )[(1-μ)P 12-μP 11]/21在参考光纤中设置补偿感应光纤,将其粘贴在与被测物相同材质的补偿块上,补偿块不受外载荷作用,仅感受温度的影响1设测量感应光纤和补偿感应光纤产生的附加相位分别为ΔΦ31和ΔΦ32,则消除附加相位的条件是ΔΦ31-ΔΦ32=0,即L 1ΔT 1(n 1αx 1+5n 15T 1-c 11a =L 2ΔT 2n 2αx 2+5n 25T 2-c 12e n (7)可知,补偿感应光纤满足下列条件才能消除附加相位对测量的干扰:用相同的光纤制作测量感应光纤和补偿感应光纤,两者长度必须相等,在同一温度场中13 带有补偿功能的全光纤Mach 2Zehnder 干涉应变测试系统和实验研究具有补偿功能的光纤Mach 2Zehnder 干涉应变测量系统如图31激光器射出的激光经耦合器195第5期邵立国等:温度场中应变光纤测试方法分束后分别射入两传输光纤,又经各自的感应光纤后至另一耦合器产生干涉,经脱模器滤掉纤芯外的杂波后,仅纤芯内的干涉波射向探测器1当加载时物体变形,信号光路和参考光路产生的相位变化分别为ΔΦx 和ΔΦc ,则ΔΦx =ΔΦ1+ΔΦ21+ΔΦ31+ΔΦr 1ΔΦc =ΔΦ22+ΔΦ32+ΔΦr2位,(8)式中ΔΦr 1和ΔΦr 2为两光路中除温度变化外因素产生的相位变化(如微弯效应)1当测量系统满足上节分析的条件时,则ΔΦ21=ΔΦ22,ΔΦ31=ΔΦ321若两传输光纤平行粘贴成一体时,可认为ΔΦr 1=ΔΦr 2,因此有ΔΦ=ΔΦx -ΔΦc =ΔΦ1(9)探测器获得的光信号仅与物体变形引起的相位变化有关,与温度变化无关1图3 具有补偿功能的全光纤Mach 2Zehnder 干涉应变测量系统11激光器,21耦合器,31浸没液,41悬臂梁,51补偿块,61测量感应光纤,71补偿感应光纤,81探测器,91数字示波器,101打印机Fig 13 All 2fiber Mach 2Zehnder interferometric strai gauge with compensative function11Laser ,21Coupler ,31Matching liquid ,41cantilever beam ,51Compensating object ,61Measuring sensing fiber ,71Compensating sensing fiber ,81detector ,91Digitizing oscilloscope ,101printer 为了更好地模拟温度变化,采用如图4的实验装置1等截面悬臂梁置于有良好传热性的机油内,测量时电阻丝处于加热状态,这样可以保证物体、传输光纤、感应光纤总是在温度变化中1测试系统如图3所示,感应光纤为栅状,测量长度为19617,mm ,激光波长λ=113,μm ,纤芯常数n =11456,c =012011测试系统中光源和光纤确定后,测量精度仅与感应光纤的几何长度有关1在实际测量中可根据测点的应变水平设置相应的感应光纤长度来满足测量精度的要求1图5为相位的波形图(挠度3mm ),由式(2)得εx =12614,με1根据等截面梁应变与挠度的关系,测点的理论值εXL =12514,με,两者绝对误差1με1测量时温度变化为3℃/min ,温度场中传输光纤的长31144m ,若不采用补偿仅传输光纤产生的虚假应变(测量时间1,s )是713με,显然具有补偿功能的测试系统很好地消除温度变化引起的干扰1295力 学 学 报1997年第29卷图5 相位波形图Fig 15Oscilloscope trace of interferometric light when a beam is transmuted4 结 论本文对温度变化时的光纤应变测试原理进行了理论分析和实验研究,为温度场中消除附加,提高测试精度给予理论依据1在此基础上提出了运用补偿的方法,也就是采用补偿感应光纤和补偿块技术,信号传输光纤和参考传输光纤平行粘接成一体的简单处理方案,解决了温度变化对测量干扰的问题,同时排除微弯等因素的影响1为了改善输出波形图的质量,采用了脱模技术和在光路中设置了匹配液1本文的研究为光纤应变测试技术向实用化迈进了一步1参 考 文 献1 Butter CD ,Hocker G B 1Fiber optic strain gauge 1A ppl Opt ,1978,17(18):2867～28692 Farahi F ,Webb DJ ,Jackson DA 1Simultaneous measurement of temperature and strain cross -sensitivity considerations 1J L ight 2w ave Tech ,1990,8(2):138～1423 Hogg D ,Janzen Doug ,Valis T ,Measures RM 1Development of a fiber fabry 2perot strain gauge 1S PI E ,1991,1558:300～3074 Vengsarkar AM ,Michie WC ,Clans RO 1Fiber optic sensor for simultaneous measurement of strain and temperature 1S PI E ,1990,1367:249～2605 徐予生等译1光纤传感器技术手册(第四章)1北京:电子工业出版社,19876 Narendran N 1Optical -fiber strain sensor using combined interference and polarimetric technique 1Optics and L asers i n Eng 11993,18:121～1337 Sirkis J S ,Mathews CT 1Experimental investigation of phase 2strain 2temperature models for structurally embedded interferometric fiber optic sensors 1Ex p Mech ,1993,33(3):26～318 董存祥1光纤应变测试方法的研究1天津大学硕士学位论文,19959 姚启钧著1华东师大《光学》教程编写组改编1光学教程1北京:高等教育出版社,1981395第5期邵立国等:温度场中应变光纤测试方法495力 学 学 报1997年第29卷AN OPTICAL FIBER STRAIN SENSOR METH ODIN VAR YING TEMPERATURE ENVIRONMENTShao Liguo Feng Jian3Yang Zhaodong DongCunxiang33 Qin Yuwen(Tianji n U niversity,Tianji n300072,Chi narm)3 (Beiji ng A rchitectonic Science Research Instit ute,Beiji ng100013,Chi narm)33 (Tianji n Securities Exchange Center,Tianji n300040,Chi narm)Abstract The principle of the additional phase produced by transmissive light in conducting and sensory optical fibers is studied in this paper when variation of temperature is present1Formula of additional phase with temperature changes were given in theoretical analysis1A new compensatory method of eliminating the effect of additional phase is also presented1The strain of a cantilever beam is measured to make use of all2fiber Mach2Zehnder interferometric sensor with compensative func2 tion1It is verefied that the compensatory method is effective1A high precision of measuring is ob2 tained1K ey w ords fiber sensor,strain,optical fiber strain sensor。
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第29卷第5期力 学 学 报Vol 129,No 151997年9月ACTA M ECHAN ICA SIN ICA Sept 1,1997温度场中应变光纤测试方法1996207220收到第一稿,1997203216收到修改稿1邵立国 冯 健3 杨照东 董存祥33 秦玉文(天津大学力学系,天津300072)3(中国建筑科学研究院,北京100013)33(天津市证券公司,天津300040)摘要 研究温度变化时光纤应变测试系统中的传输光纤和感应光纤产生附加相位的问题1推导出附加相位与温度变化的关系式,提出消除附加相位的补偿法1通过实验分析证明了补偿法对消除附加相位是行之有效的,提高了测试精度1关键词 光纤传感,应变,光纤应变测量引 言1978年Butter [1]首次将光纤传感技术引入应变测量以来,由于其独特的优点(结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等),受到各国的重视1在光纤应变测试方法的研究中,人们发现温度变化对测量产生干扰,如1990年Farahi [2]注意到光纤对应变和温度都具有敏感性;1991年Hogg [3]对光纤应变测试中的温度虚假应变进行了初步的理论探讨和实验分析1同时人们为降低温度的干扰也进行了研究,1990年Vengsarkar [4]采用双模椭圆芯光纤可使应变、温度参数分离达到消除干扰的目的1本文研究温度变化时采用单模光纤进行应变测量时所遇到的问题,通过理论分析,提出补偿法消除温度虚假应变,提高了精度11 光纤应变测试方法的原理图1 光纤微段的参数Fig 11 Parameter of a fiber path 不考虑外界干扰的前提下,粘贴在物体表面的光纤L ,取一微段ΔS (图1)1光波导理论指出,当光纤与物体一起变形时,ΔS 两端面光相位差的变化为ΔΦ1=2πλ(n ΔA +A Δn )(1)式中A =ΔS ,λ为光的波长,n 为纤芯的折射率1根据应变的定义及纤芯折射率的变化与应变和纤芯光弹系数的关系,得光纤应变测量的基本公式ΔΦ1=2πλn (1-c )∫L(εx cos 2θ+εy sin 2θ+γxy sin ,θcos ,θ)ds (2)式中c =n 2[(1-μ)P 12-P 11]/2,μ为光纤的泊松比,P 11,P 12为纤芯的光弹系数12 温度场中光纤应变测量方法的分析 光纤对温度变化是十分敏感的,以激光λ=016382μm 为例,长1,m 的光纤温度每改变1℃,干涉条纹移动17个条纹数[5]1温度场中的传输光纤可以自由伸缩,则ΔΦ2=2πλn αx L +L 5n 5T天津ΔT (3)这里αx 为光纤的热胀系数,ΔT 为温度变化量1式(3)说明温度变化使测试系统产生附加相位,由此计算的应变为虚假应变1设信号和参考光纤产生的附加相位分别为ΔΦ21和ΔΦ22,则消除附加相位的条件是n 1α1L 1+L 15n 15T 1测量ΔT 1-n 2α2L 2+L 25n 25T 2对应ΔT 2=0(4)由此可知,信号传输光纤和参考传输光纤在温度场中的几何长度必须相等,对应点的温度变化相同,而且两光纤具有完全相同的性质1图2 受热时光纤和物体产生不同的伸长Fig 12 Result of different dilation when they are heated 由于物体刚度远大于光纤刚度,因此,物体热胀产生的变形决定了光纤的变形1设物体的热胀系数为αw ,如图2,感应光纤总的伸长量为ΔL 2,其中ΔL 1是温度引起的光纤变形,ΔL 3是物体热胀由于应力作用产生的变形,所以,当温度变化时感应光纤受到温度效应和应变效应的共同作用1则有ΔΦ3=2πλ[L (Δn 1+Δn 3)+n (ΔL 1+ΔL 3)](5)式中Δn 1是热胀时纤芯折射率的变化,Δn 3为应力作用纤芯折射率的变化1根据热胀原理、应变关系及折射率椭球常数与光弹系数的关系,由式(5)得ΔΦ3=2πλL ΔT (n αx +5n 5T-c 1n (6)式中c 1=n 3(αw -αx )[(1-μ)P 12-μP 11]/21在参考光纤中设置补偿感应光纤,将其粘贴在与被测物相同材质的补偿块上,补偿块不受外载荷作用,仅感受温度的影响1设测量感应光纤和补偿感应光纤产生的附加相位分别为ΔΦ31和ΔΦ32,则消除附加相位的条件是ΔΦ31-ΔΦ32=0,即L 1ΔT 1(n 1αx 1+5n 15T 1-c 11a =L 2ΔT 2n 2αx 2+5n 25T 2-c 12e n (7)可知,补偿感应光纤满足下列条件才能消除附加相位对测量的干扰:用相同的光纤制作测量感应光纤和补偿感应光纤,两者长度必须相等,在同一温度场中13 带有补偿功能的全光纤Mach 2Zehnder 干涉应变测试系统和实验研究具有补偿功能的光纤Mach 2Zehnder 干涉应变测量系统如图31激光器射出的激光经耦合器195第5期邵立国等:温度场中应变光纤测试方法分束后分别射入两传输光纤,又经各自的感应光纤后至另一耦合器产生干涉,经脱模器滤掉纤芯外的杂波后,仅纤芯内的干涉波射向探测器1当加载时物体变形,信号光路和参考光路产生的相位变化分别为ΔΦx 和ΔΦc ,则ΔΦx =ΔΦ1+ΔΦ21+ΔΦ31+ΔΦr 1ΔΦc =ΔΦ22+ΔΦ32+ΔΦr2位,(8)式中ΔΦr 1和ΔΦr 2为两光路中除温度变化外因素产生的相位变化(如微弯效应)1当测量系统满足上节分析的条件时,则ΔΦ21=ΔΦ22,ΔΦ31=ΔΦ321若两传输光纤平行粘贴成一体时,可认为ΔΦr 1=ΔΦr 2,因此有ΔΦ=ΔΦx -ΔΦc =ΔΦ1(9)探测器获得的光信号仅与物体变形引起的相位变化有关,与温度变化无关1图3 具有补偿功能的全光纤Mach 2Zehnder 干涉应变测量系统11激光器,21耦合器,31浸没液,41悬臂梁,51补偿块,61测量感应光纤,71补偿感应光纤,81探测器,91数字示波器,101打印机Fig 13 All 2fiber Mach 2Zehnder interferometric strai gauge with compensative function11Laser ,21Coupler ,31Matching liquid ,41cantilever beam ,51Compensating object ,61Measuring sensing fiber ,71Compensating sensing fiber ,81detector ,91Digitizing oscilloscope ,101printer 为了更好地模拟温度变化,采用如图4的实验装置1等截面悬臂梁置于有良好传热性的机油内,测量时电阻丝处于加热状态,这样可以保证物体、传输光纤、感应光纤总是在温度变化中1测试系统如图3所示,感应光纤为栅状,测量长度为19617,mm ,激光波长λ=113,μm ,纤芯常数n =11456,c =012011测试系统中光源和光纤确定后,测量精度仅与感应光纤的几何长度有关1在实际测量中可根据测点的应变水平设置相应的感应光纤长度来满足测量精度的要求1图5为相位的波形图(挠度3mm ),由式(2)得εx =12614,με1根据等截面梁应变与挠度的关系,测点的理论值εXL =12514,με,两者绝对误差1με1测量时温度变化为3℃/min ,温度场中传输光纤的长31144m ,若不采用补偿仅传输光纤产生的虚假应变(测量时间1,s )是713με,显然具有补偿功能的测试系统很好地消除温度变化引起的干扰1295力 学 学 报1997年第29卷图5 相位波形图Fig 15Oscilloscope trace of interferometric light when a beam is transmuted4 结 论本文对温度变化时的光纤应变测试原理进行了理论分析和实验研究,为温度场中消除附加,提高测试精度给予理论依据1在此基础上提出了运用补偿的方法,也就是采用补偿感应光纤和补偿块技术,信号传输光纤和参考传输光纤平行粘接成一体的简单处理方案,解决了温度变化对测量干扰的问题,同时排除微弯等因素的影响1为了改善输出波形图的质量,采用了脱模技术和在光路中设置了匹配液1本文的研究为光纤应变测试技术向实用化迈进了一步1参 考 文 献1 Butter CD ,Hocker G B 1Fiber optic strain gauge 1A ppl Opt ,1978,17(18):2867～28692 Farahi F ,Webb DJ ,Jackson DA 1Simultaneous measurement of temperature and strain cross -sensitivity considerations 1J L ight 2w ave Tech ,1990,8(2):138～1423 Hogg D ,Janzen Doug ,Valis T ,Measures RM 1Development of a fiber fabry 2perot strain gauge 1S PI E ,1991,1558:300～3074 Vengsarkar AM ,Michie WC ,Clans RO 1Fiber optic sensor for simultaneous measurement of strain and temperature 1S PI E ,1990,1367:249～2605 徐予生等译1光纤传感器技术手册(第四章)1北京:电子工业出版社,19876 Narendran N 1Optical -fiber strain sensor using combined interference and polarimetric technique 1Optics and L asers i n Eng 11993,18:121～1337 Sirkis J S ,Mathews CT 1Experimental investigation of phase 2strain 2temperature models for structurally embedded interferometric fiber optic sensors 1Ex p Mech ,1993,33(3):26～318 董存祥1光纤应变测试方法的研究1天津大学硕士学位论文,19959 姚启钧著1华东师大《光学》教程编写组改编1光学教程1北京:高等教育出版社,1981395第5期邵立国等:温度场中应变光纤测试方法495力 学 学 报1997年第29卷AN OPTICAL FIBER STRAIN SENSOR METH ODIN VAR YING TEMPERATURE ENVIRONMENTShao Liguo Feng Jian3Yang Zhaodong DongCunxiang33 Qin Yuwen(Tianji n U niversity,Tianji n300072,Chi narm)3 (Beiji ng A rchitectonic Science Research Instit ute,Beiji ng100013,Chi narm)33 (Tianji n Securities Exchange Center,Tianji n300040,Chi narm)Abstract The principle of the additional phase produced by transmissive light in conducting and sensory optical fibers is studied in this paper when variation of temperature is present1Formula of additional phase with temperature changes were given in theoretical analysis1A new compensatory method of eliminating the effect of additional phase is also presented1The strain of a cantilever beam is measured to make use of all2fiber Mach2Zehnder interferometric sensor with compensative func2 tion1It is verefied that the compensatory method is effective1A high precision of measuring is ob2 tained1K ey w ords fiber sensor,strain,optical fiber strain sensor。