温度补偿型光纤光栅位移传感器

doi：10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.015
温度补偿型光纤光栅位移传感器*
田晓丹 1，2，张会新 1，2，刘文怡 1，2*，范军刚 3
（1. 中北大学电子测试技术重点实验室，太原 030051；2. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051； 3. 中北大学仪器与电子学院，太原 030051）
簧材料的切变模量；d 为直径；D 为弹簧直径；N 为 弹簧的匝数。
图 1 光纤光栅位移传感器的结构图
2 传感器的工作原理
图 2 给出了等腰三角形悬臂梁与弹簧系统的
形变示意图。当拉动位移传递杆使其位移为 L 时，
传动弹簧管自身拉伸量为△d，由此产生的拉力 F
集中作用于悬臂梁的自由端，使悬臂梁发生弯曲，
ture range from 0 ℃to 60 ℃，the zero drift is 0.41 pm/℃ ，so temperature performance is good. The sensor can be
well applied in long-term monitoring of the cracks or seam open degree in the water conservancy and hydropower en-
TIAN Xiaodan1，2，ZHANG Huixin1，2，LIU Wenyi1，2*，FAN Jungang3
（1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China； 2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measuremen（t North University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；
+
ξ）ΔT
（7）
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电子器件
第 39 卷
式中，λB 是光栅反射中心波长；Δ λB 是在外界环境作
用下反射波长的变化量；Pe 为光纤的有效弹光系数；
a 为光纤的热膨胀系数；ξ 为光纤的热光系数；ΔT 为
外界温度变化量。
由于两只光纤光栅处于同一环境中，因此温度
变化引起的两个光栅的波长漂移应该相等，而由于
感器能很好的应用于水利水电工程、工业与民用建筑等结构上裂缝或接缝开合度的长期监测。
关键词：传感器；温度补偿；光谱；悬臂梁；光纤光栅；位移
中图分类号：TP212.1
文献标识码：A
文章编号：1005-9490（2016）03-0576-05
水利水电工程、工业与民用建筑等结构经过长
时间的使用或受到恶劣环境的影响后，自然而然地
图 3 等腰三角形悬臂梁的结构尺寸图
3.2 位移传感系统的搭建 如图 4 所示，将以上制作好的光纤光栅位移传
感器用支撑架固定在光学实验平台上，然后把 MIO 公司生产的光谱分析仪分别与传感器的尾纤和上 位 机 连 接 起 来 ，再 将 刻 度 尺 水 平 固 定 于 实 验 平 台 上，并使刻度尺的零刻线与传感器的零点对齐。光 谱 分 析 仪 内 置 一 个 宽 带 光 源（扫 描 波 长 范 围 为 1 510 nm～1 590 nm）、一个耦合器和一个接收器，当 宽带光源发出的光经耦合器入射到光纤 Braag 光 栅位移传感器中时，其中满足布拉格条件的光分别
摘 要：基于等腰三角形悬臂梁和双光纤光栅结构设计并制造了一种高分辨率、温度自补偿的光纤位移传感器。采用光谱
分析法对测量结果进行解调，常温下的实验结果表明，传感器的量程为 0～70 mm，灵敏度为 21.9 pm/mm，线性拟合度高达
0.999，重复性误差为 4.72％FS，迟滞误差为 2.70％FS。而且在 0～60 ℃温度范围内的零漂为 0.41 pm/℃，温度性能良好。该传
3.1 传感器的设计与制作 经过 ANSYS 仿真软件的优化分析，设计的等
腰三角形悬臂梁的结构如图 3 所示。整体长度为 14 mm，其中悬臂梁的长度为 7 mm，等腰三角形的 底边宽度为 2.8 mm，用于固定悬臂梁的固定孔的 直 径 为 1.05 mm，弹 簧 管 钩 挂 的 牵 引 孔 的 直 径 为 0.35 mm。 而 且 牵 引 孔 的 位 置 恰 好 为 等 腰 三 角 形 两 斜 边 的 交 点 ，只 有 这 样 在 该 处 施 加 载 荷 F 时 ，
会产生裂缝或接缝开合，可能会给实际的使用带来
严重的危害，因此需要适宜的位移传感器对这些结
构的裂缝和接缝开合度进行长期的监测，以保障工
厂的顺利运行及人员的人身安全。与传统的机械
类、电学类位移传感器相比，光纤光栅位移位移传
感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等
优点 。 ［1-2］ 本文利用光纤光栅特殊的结构特性以及
（6）
其中，neff 为纤芯中相应模式的有效折射率；Λ 为光
栅的空间周期。当受到外界环境如温度、应变的影
响时，neff 和 Λ 会分别产生变化，而且应变和温度能
够相互独立地引起光纤光栅中心波长的漂移。因
此，当应变和温度同时作用时，光栅反射波长的漂
移为二者的叠加［8］：
ΔλBБайду номын сангаасλB
= （1
-
Pe）ε
+ （a
等强度悬臂梁的力学性能，设计并制造出一种高分
————————————
项目来源：青年科学基金项目（51405454）
收稿日期：2015-08-17
修改日期：2015-09-17
辨率的光栅位移传感器，并对该传感器的位移测量 灵敏度以及温度补偿进行了理论分析和实验研究。
1 传感器的结构设计
光纤光栅位移传感器的结构如图 1 所示，主要 由等腰三角形悬臂梁、双光纤光栅（FBG）、弹簧管、 固定块、位移传动杆以及封装外壳组成。等腰三角 形 悬 臂 梁 的 底 端 用 传 感 器 的 封 装 外 壳 固 定（固 定 端），顶端自由悬空（自由端），位于同一根光纤上的 两个布拉格光栅分别对称粘贴于悬臂梁上下表面
式（5）才成立。实验所使用的双光纤光栅是使用紫 外光曝光的方法制作在同一根光纤上的，它们的中 心波长分别为 1 548.09 nm 和 1 545.99 nm，反射率 均在 90％以上，将它们分别粘贴在悬臂梁上下表 面中轴线上大概居中的位置。由于悬臂梁表面的 应力处处相等，故不必受光纤光栅粘贴位置高准确 度要求的限制，同时也消除了啁啾现象。此外，悬 臂梁和拉杆之间的 65 Mn 弹簧，既能实现位移的放 大 ，又 能 保 护 悬 臂 梁 不 受 损 坏 。 弹 簧 的 长 度 为 18.75 mm，截面直径为 0.5 mm，有效圈数为 21，中 径为 3.5 mm。
第 39 卷 第 3 期 2016 年 6 月
电子器件
Chinese Journal of Electron Devices
Vol. 39 No. 3 June 2016
Temperature Compensated Optical Fiber Grating Displacement Sensor*
括温度的影响，因此这种方法可以消除温度变化对
位移传感的影响［9］。
联立式（4）、式（5）、式（8）得：
ΔλB1 λ B1
-
ΔλB2 λ B2
= （1
-
P
e）
b
0
h2
24aI0 Pd （2EI0 + a3
P
d
）
L
（9）
由（9）式 可 知 ，位 移 与 波 长 漂 移 量 的 差 值 成
正比。
3 传感器的制作及实验
第3期
田晓丹，张会新等：温度补偿型光纤光栅位移传感器
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的中轴线上，同时将弹簧管的两端分别与悬臂梁的 自由端和位移传动杆固连。固定块有稳固位移传 动杆，使其发生平行移动的作用，更重要的是能够 有效避免使用时超出量程，保护传感器。
当位移传动杆在外力作用下实现位移变化时， 与其固连的弹簧管将会被拉伸，同时将拉伸产生的 力传送并作用于悬臂梁的自由端，使得悬臂梁发生 弯 曲 ，上 表 面 产 生 拉 伸 应 力 ，下 表 面 产 生 压 缩 应 力。粘贴于悬臂梁上下表面的两个光纤光栅的反 射中心波长在该应力的作用下发生漂移，经过解调 便可得到被测位移量。由于传感光栅对分别贴在 悬臂梁同一位置的上下表面，因此将受到完全相同 的温度调制。在利用两光栅中心波长对位移量进 行解调时，温度引起光纤 FBG 中心波长的变化将被 作为共模信号剔除掉，从而达到温度补偿的效果［3］。
gineering，industrial and civil buildings.
Key words：sensor；temperature compensation；spectrum；cantilever beam；fiber bragg grating（FBG）；displacement
EEACC：7220E
在悬臂梁上下表面的光栅感受到的是分别是正应
变 和 负 应 变 ，且 大 小 相 等 。 根 据 两 光 栅 的 对 称 设
计，在应变作用下，两光纤光栅的中心反射波长分
别向长波长方向和短波长方向移动，两光栅中心波
长漂移之差由下式给出：
ΔλB1 λ B1
-
ΔλB2 λ B2
= 2（1
- Pe）ε
（8）
可以看出，光纤光栅对的布拉格波长间隔不包
ture environment show that，the range of the sensor is 0～70 mm，the sensitivity is 21.9 pm/mm，the degree of linear