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用于测量位移的不受温度影响的新型布拉格光栅光纤传感器
关键词：位移、光纤布拉格光栅传感器
摘要：本文提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的新型不受温度影响的位移传感器。 将FBG胶合到专门设计的悬臂梁的表面上。一个FBG粘贴在专门设计的悬臂梁的表面上。发现由于位移诱导的应变梯度，FBG的反射光谱的带宽随着光束自由端位移的变化而线性变化。通过测量光谱仪上得到的FBG的信号的带宽来实现位移的传感。 在0-20mm的位移范围内获得了0.058nm-1mm的线性响应。由于反射光谱的双峰结构的温度独立性，该传感器不受温度影响。
1简介
光纤布拉格光栅（FBG）由于其在光纤传感器实际应用中的优势，如抗电磁干扰、体积小、重量轻、灵敏度高等，已经引起了人们极大的兴趣。 FBG传感器的基本原理是通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息。基于FBG的传感器广泛应用于测量位移、加速度、压力、倾斜、和振动。然而，在实际应用中，由于单个FBG的波长漂移以及由应变和温度引起的交叉敏感效应总是存在的，所以通常不可能获得准确的结果。因此有必要分离应变效应和热效应。为了克服交叉敏感性效应，已经有各种不同的技术被提出，例如，董，等人在悬臂梁上用两个光栅，对比所产生的两个不同的波长，实现温度补偿，设计出不受温度影响的FBG位移传感器。然而，在这个设计中，FBG必须以倾斜的方向胶合在悬臂梁上。为分析减小温度影响的效果，需要利用到光电探测器和光谱分析仪（OSA）。
本文中，基于董等人的设计，设计了一种特殊设计的悬臂梁FBG传感器。梁被设计为具有均匀密度和厚度的双等腰三角形结构。在两个三角形的相交线的中点处将FBG胶合到悬臂梁的前表面上。随着光束自由端发生位移的变化，获得沿光栅长度的应变梯度，产生FBG反射带宽的线性变化。 通过使用OSA测量来自光栅的信号的带宽来实现位移感测。
2设计和原理
悬臂梁示意图如图1所示。 设计了具有均匀密度和厚度的双等腰三角形结构的悬臂梁。 悬臂梁的厚度为h = 4.5厘米，杨氏模量为E = 3.3times;10 9 Pa。所提出的基于FBG的位移传感器以及实验装置的示意图如图1所示。 在光束表面上的两个等腰三角形的相交线的中点粘合有FBG。 使用掺铒光纤的放大自发发射（ASE）源作为通过3dB光纤耦合器对光纤光栅的光输入。 使用分辨率为20 pm的OSA评估反射光谱。
图1
由于在光束自由端发生位移以及双等腰三角形的结构，FBG有两个反射光谱重叠。 同时，两个反射光谱具有相同的温度敏感度。与使用矩形悬臂梁的方法相比，采用等腰三角形悬臂梁，有助于保持光栅的均匀反射率。 如果忽略横向力矩的微小影响，则给定点x处的梁的中性层的曲率可以如下获得：
其中M（x）和I（x）分别是梁在X位置的横截面的弯矩和惯性矩，E是杨氏模量，L和h分别是梁的长度和厚度，F是梁的自由端施加的力，b是梁固定端的宽度。
图2
对于图中双等腰三角形结构的悬臂梁。 如图2所示，给定点x处的梁的中性层的曲率由下式给出
其中b1和b2是梁的固定端的两个三角形的宽度，l0是从两个三角形的固定端到相交线的长度，l1是三角形的中线的长度。
对于光栅的任何部分，布拉格波长的应变诱导变化lambda;B（其中lambda;B是布拉格波长）与沿着光栅的局部轴向应变成正比。 在[11]中描述的分析的基础上，沿着光栅的轴向应变与p（x）成正比。
对于任何悬臂梁，x处的位移的函数的曲率由下式给出：
其中s是悬臂梁在位置x处的位移。
对于双等腰三角形结构的悬臂梁，不同点x将有两个不同的波长位移，考虑到温度的影响，我们可以得到
其中lambda;0是温度为t0时的初始布拉格波长; Delta;lambda;1和Delta;lambda;2分别是对应于0 lt;x lt;L0和L0 lt;x lt;L1的不同面积的布拉格波长的偏移，Pe是纤维材料的有效弹性光学系数（~0.22），a和xi;分别是FBG的热膨胀系数和热光系数。 t是当前温度。
因此，布拉格波长的变化可由下式描述
Delta;lambda;是反射光谱的带宽。
可以看出，Delta;lambda;与梁的自由端的位移成正比。 因此，可以通过检测反射光谱的宽度来测量位移。 此外，位移的测量是不受温度影响的，因为由于温度变化而沿着光栅长度的布拉格波长的变化是相同的。温度的影响会将光栅的布拉格波长带移动到短波长或长波长区域，但不会改变光栅的带宽。
3实验结果与讨论
图3
在实验中，通过相位掩模将深氢负载的单模光纤暴露于244nm的激光束来制造2cm长的FBG。 制作的光栅的反射率为90％。 光栅的中心波长为1532.51nm。 双等腰三角形结构悬臂梁的设计参数值为l1 = 15 cm，b1 = 40 cm，l2 = 10 cm，b2 = 30 cm，10 = 7.5 cm。图3表示出了对于0,4.0,8.0,12.0,16.0和20.0mm的不同位移的FBG的测量光谱。 应注意，均匀FBG的原始光谱对应于零位移。 可以看出，反射光谱带宽随着光束自由端位移的增加而增加。
图4
图4表示出了测量的带宽作为从0到20.0mm变化的位移的函数。 对于Delta;lambda;的数据的线性拟合给出了极高的0.9799的R平方值，显示了具有位移的带宽的响应的良好线性。 线性拟合与测量数据之间的均方根偏差值（SD）为0.016。 宽度对位移的响应为0.058 nm mm-1，与0.061 nm mm-1的理论值吻合良好。
由于FBG本身对温度和应变敏感，所以基于FBG的位移传感器总是需要温度补偿。 对于双等腰三角形结构的悬臂梁FBG传感器，由于温度对两个三角形提供了相同的贡献，因此对FBG位移传感器的温度影响可以忽略不计。 因此，通过测量反射光谱的带宽可以获得位移。 如图5所示，为了测试传感器的温度稳定性，测量了各种温度下10.0 mm恒定位移的FBG光谱。当温度从20℃升至60℃时，由于热效应，FBG的中心波长偏移了0.9nm，到了较长波长区域。 但是带宽的变化非常小（lt;0.02nm），如图6所示。
图5
图6
4结论
我们已经展示了一种新颖的基于FBG的位移传感器，其由FBG和特殊设计的悬臂梁组成。在光束自由端的位置产生与光栅的反射带宽的线性变化。 频谱带宽的实验结果表明，位移传感器在最大测量范围为20 mm时具有0.058 nm mm-1的高灵敏度，分辨率为0.34 mm。 基于FBG的位移传感器系统本身就是温度不敏感的，无需温度补偿。
5致谢
感谢中国浙江省自然科学基金（批准号：Y1100792）和浙江省科技厅（Grant nos.2011C31G2080032和2009C11049）对本工作的支持。
6参考文献
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7作者介绍
张常生 1977年出生于中国湖南省。于2002年在陕西师范大学获得光学与光学工程博士学位，并于2009年获得浙江大学奖学金。现任中国计量大学教授。 研究方向包括光纤布拉格光栅传感器，白光发光二极管，自由空间光通信和非线性光学。
川忠 1988年生于中国湖北省。于2010年获得中国武汉中南民族大学光电信息科学专业学士学位。现任中国计量大学光电技术研究所研究生。主要研究方向是光纤传感器技术。
使用双光纤布拉格光栅传感器和互相关技术的水流量计
摘要 本文对使用光纤光栅(FBG)传感器的互相关流量计的工作原理和实验结果进行了介绍。此款流量计在感应部位没有电子设备、没有机械零部件，并且结构简单、不受电磁波干扰。流量计用阻流体产生的涡流信号的时间延迟来测量水的流量。卡曼旋涡脱落频率被用于系统的流速的检测和测量。为了实现低噪音、宽带宽的系统,我们采用光纤光栅波长转换干涉检测作为检测方法。光纤光栅传感的噪声谱密度的干涉检测的4times;4点/(10minus;)1 / 2对应赫兹0.33 nε/(赫兹)1 / 2。一个水流动实验表明, 该
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