光纤应变、温度、振动同时测量新技术的研究.pdf

第30卷第10期光子学报Vol130No110

2001年10月ACTAPHOTONICASINICAOctober2001

光纤应变、温度、振动同时测量新技术的研究3

曾祥楷饶云江余般梅王义平朱涛冉曾令
(重庆大学光电工程学院,重庆400044)

摘要本文介绍了集成式Bragg光纤光栅(FBG)和非本征型Fabry2Perot干涉腔(EFPI)复
合传感器的结构及应用该传感器同时测量静态应变、温度和振动的原理1利用FBG、EFPI和
低相干性干涉信号解调方法实现了用一个传感器同时测量三个参量1实验结果表明温度精度
达±1℃,应变精度为±20LE,振幅分辨率达1nm,测量重复性好1
关键词光纤传感器;光纤光栅;F2P干涉仪;应变;温度;振动
0引言

近年来,Bragg光纤光栅(FBG)与其它光纤复杂,精度较低,且难于进行高灵敏度的振动测量1
干涉传感器结合而形成的传感系统1的研究引起事实上,非本征型F2P干涉(EFPI)可用于应
了人们的极大兴趣,这种传感器可广泛用于复合变测量4,FBG可用于温度监测1这两种形式的传
材料、大型建筑结构、宇航飞行器、军工产品等的感元件集成在同一个石英毛细管中便构成光纤光
结构健康自诊断,以实现所谓的智能材料和结构栅FBGöEFPI温度及应变传感器51在此基础上,
在线检测与分析等21在结构健康状态检测中,多本文首次利用低相干性干涉5信号PZT快速扫描
参量的同时测量是十分必要的,例如静态应变和解调法从EFPI干涉腔中提取振动信息,通过一
温度及其分离以实现热应变误差校正就相当重要1定的数据处理,可进行温度应变校正并进行静态
此外,除静态应变和温度外的结构振动模态测试应变、温度和振动的同时测量,这就是下面介绍的
和分析也十分重要31FBGöEFPI光纤应变、温度及振动传感系统1
应用单一传感器进行多参量传感具有传感参
传感器结构及其系统
量多、传感头体积小、易于遥测、降低成本、系统集1
成度高等特点,所以,多参量的同时传感是当今传FBGöEFPI集成传感器结构如图1所示,传
感领域中的一个重要发展方向1光纤传感器由于感器由石英毛细管、光导入导出单模光纤及其中
具有在一根光纤上可以同时传递如强度、相位、波的FBG、用作反射端的多模光纤构成1峰值波长
长、偏振等多种光信号的特性,因而可望为解决多为1548nm、长度约为5mm的FBG被写入单模光
参量同时测量这一科学难题提供一条可行的途径1纤,在离光栅中心5mm处的一端切断;单模和多
就温度和应变同时测量而言,由于FBG具有许多模光纤均插入内外直径分别为128ö300Lm、长
独特的优点,故与FBG有关的多参量传感技术已
形成了一个研究热点1FBG和其它光纤传感器结
合以实现温度和应变的传感方法1有双波长FBG
法、FBG基频与二次谐波长法、不同包层尺寸的
FBG法、FBG和长周期光栅法等1这些方法在进
图传感器结构
行温度和应变的分离及热应变误差校正时比较1
Fig.1SchematicdiagramoftheFBGöEFPI

3国家杰出青年科学基金(600025515)和重庆大学博士后基金资助项目
收稿日期:2001203216

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10期曾祥楷等1光纤应变、温度、振动同时测量新技术的研究5521

50mm的石英管中,两光纤端面相距约为几百微变、温度和振动参量1
米,光纤光栅和由光纤端面构成的非本征型F2P
腔位于中间位置;在石英管两端,光纤和石英管熔
接在一起1光纤光栅在石英管中处于自由状态,
不受应力作用,用于温度检测;单、多模光纤端面
构成的传感F2P腔长在应变作用下产生相应位
置变化,用于应变检测,这就构成了可同时检测温
度和应变的FBGöEFPI光纤传感器1
用FBGöEFPI传感器和低相干性干涉信号图31155Lm谱段内的FBG和EFPI传感器的反射光谱
PZT快速扫描解调法同时检测静态应变、温度和Fig.3ReflectivespectraofboththeFBGandtheEFPI
sensorinthe1.55Lmrange
振动的传感系统如图2所示1中心波长分别为
1155Lm、1131Lm的两宽带光源通过2个2×2耦2测量原理

合器C1、C2进入FBGöEFPI传感器,FBG光栅反
光谱仪接收1155Lm附近40nm区域内的
射1548nm附近的一个窄带光,其余波长的光透
FBG反射光和EFPI干涉条纹信号,用于温度和
过FBG光栅,并在传感器EFPI的两光纤端面反
静态应变的测量;波形存贮器得到1131Lm附近
射而产生干涉条纹1FBG的反射光和EFPI干涉
40nm区域内低相干性