论文基于取样光纤光栅温度—应变交叉传感器是适合光纤光栅温度论文写作的大学硕士及相关本科毕业论文，相关温度光栅光纤直径开题报告范文和学术职称论文参考文献下载。
摘 要： 设计了一种基于取样光纤光栅的温度-应变交叉传感器,应变测量范围为0～2 000 με,温度测量范围为-50～200 ℃.仿真验证获取了取样光纤光栅的传感特性.应用SPSS统计学软件,得到取样光栅同时测量温度和应变的双参量矩阵方程,并标定了矩阵方程中的4个传感系数.
关键词： 光纤传感； 取样光纤光栅； 交叉敏感； 传输矩阵法
中图分类号： TP 212.1 文献标志码： A 文章编号： 10005137（2017）01006608
Abstract： In this paper,a crosssensitive temperature and strain sensor based on sampled fiber grating is designed.Its temperature measurement range is -50-200 ℃,and the strain measurement rangeis 0-2 000 με.The characteristics of the sensor are obtained using simulation method.Utilizing SPSS software,we found the dualparameter matrix equations of measurement of temperature and strain,and calibrated the four sensing coefficients of the matrix equations.
Key words： optical fiber sensing； sampled fiber grating； crosssensitivity； transfer matrix method
0 引 言
光纖光栅传感器一直存在应变-温度交叉敏感问题.由于布拉格波长对应变和温度都是敏感的,从单个布拉格波长的变化量中难以分辨出应变和温度各自的变化量[1].目前,交叉敏感问题的解决方法主要为单一参量补偿和双参量区分补偿[2].文献[3]设计了一种双参数FBG传感器,可以同时测量温度和应变,温度灵敏度为12.2 pm/℃,封装后的应变灵敏度为1.79 pm/με,但其几乎不可能制造出完全相同的2个FBG传感器.文献[4]提出了基于双三角形悬臂梁结构的FBG 双参量传感器,通过测定光纤光栅反射谱的 位置,实现了单光栅应变和温度的同时检测,应变、温度传感灵敏度分别为0.125 nm/με,0.0124 nm/℃,但该方法需要2套独立的解调系统,增加了系统的复杂性.
取样光纤光栅是一种理想的多参量传感元件,因其反射谱有一组分立的反射峰,在温度和应变变化时,反射峰的波长会发生不同的变化,因此可以利用取样光纤光栅实现温度和应变的双参量测量,克服交叉敏感问题[1].针对文献[3]、[4]中出现的问题,本文作者采用传输矩阵法,构造可用于传感的取样光纤光栅,通过OptiGrating软件进行了取样光纤光栅传感特性的仿真实验,分别获取了取样光纤光栅温度和应变传感仿真数据,并在此基础上,将应变和温度这两个参量相结合,采用回归分析法,应用SPSS软件研究分析了取样光纤光栅温度、应变传感特性,得到了取样光纤光栅测量温度和应变的双参量矩阵方程,并标定了测量矩阵方程的4个传感系数.通过测量反射光谱的反射率变化值和波长漂移量,只需一套解调系统,就能够实现单根取样光纤光栅同时测量应变和温度,从而解决了温度-应变交叉敏感问题.
1 理论分析
对于非均匀光纤光栅,传输矩阵法的求解过程直观简单：将一个非均匀周期的光纤光栅看成是由一系列均匀周期的小段光纤光栅级联而成的,将它们的传输矩阵相乘,即得到光纤光栅的总传输矩阵及传输特性的数学表达式[5].
2 传感特性仿真实验和数据分析
使用加拿大公司Optiwave制作的模拟软件OptiGrating来做取样光纤光栅的传感特性仿真实验,通过改变取样光栅总长度、占空比、折射率调制强度和取样周期等参数,可以构造出可用于传感的取样光纤光栅.
为了使仿真实验更加贴近实际情况,参考了北京虹林光电科技有限公司所设计的取样光纤光栅,其中心波长为1 510～1 590 nm,反射率大于90%,3 dB带宽小于0.23 nm,栅区长度为10 mm,光纤类型可选,光栅数量为1～20.基于这些真实器件的参数,实验中,将取样光纤光栅的各参量分别设置为：取样光栅总长度L为10 mm,占空比T为0.3,取样周期为200 μm,其中曝光区长度为60 μm,非曝光区长度为140 μm,折射率调制深度δneff为0.0005,热光系数为8.3×10-6/℃,热膨胀系数为5.5×10-7/℃.同时,本次仿真选取了Corning公司的 F28型光纤作为实验光纤,其纤芯半径为4.15 μm,包层半径为62.5 μm.对于中心波长为1 550 nm的光来说, F28型光纤纤芯折射率为1.46,包层折射率为1.45.
2.1 应变传感特性仿真实验
在取样光纤光栅应变传感实验中,仿真环境温度设置为25 ℃,应变初始值则为0 με,之后仿真过程中应变每增加100 με,对取样光纤光栅反射谱进行一次仿真测量.实验得到的部分取样光纤光栅反射谱如图2所示.
从图2可以看出,取样光纤光栅反射谱 有6个主反射峰,并且,相邻2个反射峰的间隔并不受外界应变改变的影响,Δλ保持恒定,约为4.08 nm.通过对图2中取样光纤光栅反射谱的比较,6个主反射峰中,中间4个反射峰的峰值变化并不明显,相比而言,第一和第六个反射峰的变化较为明显,通过对这两个反射峰的研究发现,第一和第六个反射峰为周期性变化的两个阶段,总体趋势为反射峰的峰值先减小,后增大.因此,为了方便计算,选取第一个反射峰（图2中箭头所指）作为参考反射峰.经过观察发现随着所受应变的增加,第一个主反射峰的位置逐渐向左边移动,即向着波长减少的方向移动.同时,第一个主反射峰的峰值也呈减小的趋势,但是其减小是有范围的,从图2（e）中可以看出,当取样光纤光栅所受应变为2 500 με时,第一个主反射峰的峰值已恢复到图2（a）中的强度.因此,使用取样光纤光栅进行应变测量时,应该事先测量所选用反射峰的测量范围,选用0～2 000 με作为良好线性范围.
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参考文献：
1、 光纤光栅传感器在施工中应用 摘 要：文章介绍了光纤光栅传感器，简述了光纤光栅传感器在施工中的应用-光纤预应力筋以及光纤预应力筋在预应力混凝土结构安全监测方面的应用。关键词。
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