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基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器
摘要：
光纤Bragg光栅应变传感器是一种基于光纤Bragg光栅的应变测量装置，可以实现高度精确的应变测量，具有灵敏度高、线性度好、抗干扰性强等优势。本文介绍了一种基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器，该传感器可在温度环境变化时实现较为准确的应变测量，应用范围广泛。
关键词：光纤Bragg光栅、应变传感器、温度减敏、应变测量
Abstract:
FiberBragggratingstrainsensorisastrainmeasurementdevicebasedonfiberBragggrating,whichcanachievehighlyaccuratestrainmeasurement,withadvantagesofhighsensitivity,goodlinearity,stronganti-interferenceability,etc.ThispaperintroducesafiberBragggratingstrainsensorbasedontemperaturesensitivityreduction,whichcanachievemoreaccuratestrainmeasurementintemperaturechangingenvironment,andhasawiderangeofapplications.
Keywords:fiberBragggrating,strainsensor,temperaturesensitivityreduction,strainmeasurement
1.引言
应变测量在航空、机械、建筑等众多领域有着广泛的应用。其中，传感器是实现应变测量的关键设备之一。在传感器的研发过程中，尽可能提高其精度与灵敏度一直是学者们不渝的追求。基于光纤Bragg光栅的应变传感器以其响应速度快、测量范围广、精度高、永久稳定等特点而受到广泛关注。为了提高该传感器的性能，我们提出了一种基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器，旨在实现较为准确的应变测量。
2.光纤Bragg光栅原理及应变测量原理
光纤Bragg光栅（FBG）是一种利用光纤的光栅衍射原理制造的光学器件，其结构如图1所示。
[图1]光纤Bragg光栅结构示意图
FBG是光纤中掺杂有光敏材料后进行热压或激光写入光栅结构后形成的，其中光栅的另一端与一部光学谐振器相连。当该结构的光腔被纵向的远场光谱（FFL）所激发时，在光纤的浸入区域内会形成光波的反射和衍射，其中衍射波和反射波都会反射回来，重叠在一起，形成了一支光谱。只有当通入光纤的波长与光纤中光栅的周期震荡的波长相等时，才会形成一个光栅背向散射谱，这就是FBG的工作原理。（图2）
[图2]光纤Bragg光栅的反射波和支持波
应变传感器是通过测量被测物体的应变伸缩量，来间接测量其应变大小的设备。而FBG应变传感器则是利用FBG的“光栅胶囊效应”，将光触头与被测试物理量相连，当被测物理量变化时，光纤的形状和长度发生变化，从而会对FBG反射波的波长进行调制。所以，可以通过分析一支波长变化来获得变量的信息。FBG应变传感器集光学、机械和物理学于一体，具有快速响应、精度高、线性度好、抗干扰性强、容易扩展和永久性存储等优势。在实际应用生产中，基于FBG应变传感器的应变测量仪主要采用的是自适应滤波算法和基于FFT模式识别算法。
3.基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器实现原理
在FBG应变传感器的设计中，基本原理是利用应变敏感的FBG反射波随被测应变发生变化的操作来测量应变。但实际制造的FBG传感器会受到多种因素的影响，如温度和机械应力的变化、光纤材料的刻录以及掺杂光敏材料等因素，在实际应用过程中相互作用，导致光栅效应发生一系列变化。其中，温度是FBG应变传感器在应用过程中最主要的干扰因素之一。
为了提升传感器的性能，降低温度干扰、减少误差，本文提出了一种基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器方案。该方案通过在FBG传感器结构中引入一定的压力分配，并调整其光栅周期或折射率，形成一定的减敏效应，以减少对温度的敏感度，提高传感器性能和测量精度。
该方案的实现过程主要分为三部分：（1）对于FBG的光栅周期或折射率进行设计，确定减敏措施；（2）选取相应的温度补偿技术，并结合传感器的光线路设计进行调试和优化；（3）对于传感器进行应变测量，在不同温度条件下进行准确性和稳定性的测试。
4.实验及分析
4.1光栅结构设计
为了减小温度对FBG应变传感器测量精度的影响，我们设计了一种基于压敏的光栅结构。该结构通过引入压敏材料将机械压力转化为电信号，并实现对光栅周期或折射率的控制。
图3所示为FBG的结构示意图。在光栅内心部分引入压敏材料，使其分布在F