第１０卷第２期 ２０１１年６月 石家庄铁路职业技术学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＩ儿ＡＺＨＵＡＮＧＩＮＳＴＩＴｕＴＥＯＦＲＡＩＬＷＡＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＶＯＬ．１ ０ Ｎｏ．２ Ｊ１３１１．２０１ １ 光纤光栅应变、温度交叉敏感问题研究现状分析 金秀梅 （石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄０５００４１） 摘要：光纤光栅的应变、温度交叉敏感问题一直是传感领域的研究热点之一，对其研究现状进 行了分析。将现有的各种解决方案进行归类，从与实际结构相结合的角度分析各方案解决应变测量 中温度补偿问题的优缺点及适用性。为实际应用中选择适宜的解决方案提供一定的有益参考。 关键词：光纤光栅 温度 应变 交叉敏感 中图分类号：ＴＮ２５３ 文献标识码ＩＡ 文章编号：１６７３．１８１６（２０１１）０２—００５３．０４ １前言 光纤光栅传感器不仅具有体积小、精度高、抗电磁干扰等优点，还具有自己独特的优势。它将 被传感信息转化为其响应波长的移动，即采用波长编码，使得测试信号不受光源功率波动和系统损 耗的影响，因此成为传感领域的研究热点。 传感器是否存在交叉敏感问题，与传感元的具体传感机制有关。当两个或两个以上物理量的变 化都会引起传感元同一参数的响应时，就会出现交叉敏感问题。由于应变和温度的变化都会导致光 纤光栅反射波长的移动，因此当二者同时变化时，仅从单个光纤光栅反射波长的变化难以分辨出应 变和温度各自的变化量，即出现应变、温度交叉敏感问题。如何对这两种效应加以区分是光纤光栅 传感器走向实际应用的关键。 ２基本原理 光纤光栅能应用于传感领域，是因为其对入射光可进行有选择的反射，其中心反射波长 可表 示为： ＝２ｎｅｔ八 ｆ（１） 式中，ｎｅｆ为光栅有效折射率，人为光栅栅距。 应变变化时，光弹效应和栅距几何尺寸变化的双重作用会导致光栅反射波长发生移动；温度 变化时，光纤的热光效应和热膨胀作用也会弓｝起反射波长的变化。反射波长变化与应变和温度的 关系为： △ ／ｔ ＝（１一 ）ｓ＋（ ＋ ，）ＡＴ 式中，Ｐｅ、 ，和 分别为光纤的弹光系数、热膨胀系数和热光系数。 （２） 可见，温度和应变的变化都会引起光栅反射波长的移动，在实际应用中区分光栅反射波长的移 收稿日期：２０１１—０４—１１ 作者简介：金秀梅（１９７６一），女，汉，河北丰润人，博士，副教授，研究方向光纤传感测试技术及其在工程中的应用。 ５３ 互窒壁 堕娶些垫 兰堕兰堡 精确获得所需参量，正确评价被测物体状态的保证。 ！笙 塑 动是由温度变化引起的，还是由应变变化引起的，对于确切了解被测体的状态是至关重要的。也是 ３光栅交叉敏感问题现有解决方案分析 针对光纤光栅的交叉敏感问题，人们已提出了众多的解决方案，分析各方案的原理、本质，可 将各种解决方案归为双光栅法和单光栅法两大类，如图１所示。（１）双光栅法主要是采用两个不同 波长光栅，或通过各种方法使～个光栅的两段具有不同的反射波长。（２）单光栅法则主要是采用特 殊光栅，或使一个普通光栅置于某种特殊结构中，以及通过与其他传感器组合的方式实现。各种方 法的主要特点简列于图中相应位置处。 在实际工程应用中，应变、温度交叉敏感问题更多地体现在从应变测量中消除温度影响上。现 有的很多方案仅从的光栅传感器角度进行分析，而未考虑实际工程应用中的具体情况，脱离了 与实际被测结构体的联系。因此虽然方法众多，但其能否解决应力、应变测量中的温度补偿问题， 还要与结构相结合，分析解决方案中传感器的实际受力状态。 图１各种光栅应变、温度交叉敏感问题解决方案归类 采用负膨胀材料封装［１１和用两种不同热膨胀系数材料进行管式封装 的方法（图２）能在温度 升高的情况下使光纤光栅受压缩作用，从而进行温度补偿。然而通过分析其补偿原理可知，如果进 行应变测量就必须使其与被测体同步变形，在温度变化情况下，封装体的变形将受被测体的牵制。 因而这种只针对的传感器进行温度补偿分析所设计的封装结构，会严重影响与被测体复合之后 的测量结果，此类温度补偿方法能较好地满足通信领域的温度补偿需求，但不太适合于应力、应变 的测试场合。而如图３所示，通过端部螺杆旋进旋出来补偿温度变化的结构设计Ｈｌ贝０是完全针对通 信领域的解决方案。 ４ 第２期 金秀梅 光纤光栅应变、温度交叉敏感问题研究现状分析 螺杆２石英管ＦＢＧ环氧胶螺母 螺杆１ Ｉ＝ Ｌ２ 厂 ｌ■， ■ ■一 暖 黜搿嚣 ・目一 目 礴 嚣鞭耀鬟鬟翳檄鞣醒嚣蘸爨搿孽墼酲嚣剿船蕈鹫鳇 Ｉ ■●■■Ｂ＿ｇ ， Ｅ 镕 嘲 目 瓤 藤…／…… 圄 ｇ ｇ 魏 嚣ｇ 。—— ———— 三兰Ｌ Ｊ 图２管式温度补偿封装结构示意图 图３两端螺杆调节温度补偿结构示意图 文献【５】也是利用了光纤光栅在温度升高时受两端材料热膨胀作用产生压缩变形的原理（如图４ 所示），虽然依据其设计结构能实现压力测量过程中的温度补偿，但并不能解决结构应变测量的温度 补偿问题。 有些方案对具体结构的依赖性较强，例如以悬臂梁为基础的各种方案Ｉ６娟】，如图５所示，虽然能 够只利用一个普通光栅就解决应变、温度的交叉敏感问题，但一旦脱离了这一特定结构，就不能达 到区分应变和温度的目的了。文献【９】巧妙地将悬臂梁方案应用到封装结构中（如图６所示），但其解 决的是液体压力（而非应变）测量中的温度影响问题。 压力 ＦＢＧ 图４ ＦＢＧ压力测量的温度补偿封装结构 图５基于悬臂梁的应变温度叉敏感问题解决方案 不同包层【】例、不同涂覆层【１ｌＪ、两段不同性质光纤拼接处写入光栅 硷】、预应变技术 乃 和分段封装 法¨刮等解决方案的具体实现手段各不相同，但它们采用了相同的思路，即通过一定方法使一个光栅 的两段具有不同的初始反射波长或不同的应变、温度灵敏度。这些方案虽然能解决应力、应变测量 中的温度补偿问题，但其制作、实施和解调是相当复杂的，因而了其在实际工程中的应用。 各种特殊光栅法ｆ】５￣＂】以及与其他传感器组合方法（图７）［ ’】 的解调要相对复杂，在多光栅复 用的应用场合，这类解决方案中解调的复杂程度将会显著增加。 ０形圈 悬臂梁 保护外壳 弹簧 纤 温度传感器 端部元件１ ＦＢＧ 端部元件２ 图７ ＦＢＧ与其他传感器组合 ５５ 图６基于悬臂梁的ＦＢＧ传感器封装结构设计 石家庄铁路职业技术学院学报 ２０１ １年第２期 由以上分析可见，各种解决方案各有其优缺点和适用性，而且上述大多方案都是实验室研究报 道，应用于实际工程的较少。当前工程中仍主要采用专门的温度传感器（例如采用热电偶）进行温 度测量，进而对光栅应变测量进行温度补偿。要解决光纤光栅传感技术应用中的应变、温度交叉敏 感问题，寻找一种应用简单、精确可靠的实用方案，还有待做进一步的、大量的实践工作。 参考文献： 【１Ｊ黄勇林，李杰，开桂云等．光纤光栅的温度补偿［Ｊ】．光学学报，２００３，２３（６）：６７７～６７９ 【２】黄力群，简伟，李唐军等．光纤布拉格光栅温度补偿技术的实验研究［Ｊ】．铁道学报，２００２，２４（６）：６６～６８ ［３］Ｙｏｎｇｌｉｎ Ｈｕａｎｇ，Ｊｉｅ Ｌｉ，Ｇｕｉｙｕｎ Ｋａｉ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｐａｃｋａｇｅ ｆｏｒ ｉｆｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ【Ｊ】．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００３，３９（１）：７０～７２ ［４］Ｈｓｉ・Ｈｓｕｎ Ｔｓａｉ，Ｗｉｎ—Ｙａｎｎ Ｊａｎｇ，Ｆｅｎ—Ｆｅｎ Ｙｅｈ．Ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ＰａｃｋａｇｅｏｆｆｉｂｅｒＢｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ【Ｊ】＿ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＰａｃｋａｇｉｎｇ，２００１，２４（１）：８６～９０ ［５］Ｔｏｓｈｉｙｕｋｉ Ｍａｔｓｕｍｕｒａ，Ｋｅｎｔａｒｏ Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓａｄａｙｕｋｉ Ｕｅｈａ．Ａ ｌｏａｄ ｃｅｌｌ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｏｐｔｉｃｌａ ｉｆｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ【ＡＩ．Ｐｒｏｃ．１５ｔｈ １４ｔｈ ｉｎｔｅ￣ｃｏｎｅ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｃ］，ＴｕＰ２９，２００２，３４７～３５０ 【６】孙安，乔学光，贾振安等．一种新颖的温度补偿光纤光栅应力传感测量技术［Ｊ】．光学技术，２００３，２９（５）：５３４—５３６，５４０ 【７】张伟刚，开桂云，赵启大等．新型光纤布拉格光栅温度自动补偿传感研究【Ｊ】．光学学报，２００２，２２（８）：９９９—１００３ 【８】董新永，关柏鸥，张颖等．单个光纤光栅实现对位移和温度的同时测量【Ｊ】．中国激光，２００１，２８（７）：６２１—６２４ ［９］Ｊｉｎａ Ｙａｎｇ，Ｙｏｎｇ Ｚｈａｏ，Ｂａｏ－Ｊｉｎ Ｐｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＦＢＧ ｓｅｎｓｏｒ、ｖｉｎｌ ａ ｂｕｌｋ－ｍｏｄｕｌｕｓ ａｎｄ ｓｅｌｆ－ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ【Ｊ】．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ，２００５，（１ ｌ８）：２５４－２５８ ［１０］Ｓ．Ｗ．Ｊａｍｅｓ，Ｍ．Ｌ．Ｄｏｃｋｎｅｙ，Ｒ．Ｐ．Ｔａｍｍ．Ｓｉｍｕｌｔｎａｅｏｕｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ｉｎ．ｉｆｂｒｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒｓ【Ｊ】．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９６，３２（１２）：１ １３３－１ １３４ 【Ｉ １］Ｃｈｕｌｈｕｎ Ｓｅｏｌ，Ｔａｅｓｕｎ Ｋｉｍ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ、ｖｉｔｌｌ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｏａｔｅｄ ｍｅｔａｌｓ ｏｎ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒｓ【Ｊ】． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９９，２１（３）：１６２－１６５ ［１２】Ｐ．Ｍ．Ｃａｖａｌｅｉｒｏ，Ｆ．Ｍ．Ａｒａｕｊｏ，Ｌ．Ａ．Ｆｅ￣ｅｋａ，ｅｔ ａ１．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｅｔｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｆｉａｇｓ ｗｒｉｔｔｅｎ ｉｎ ｇｅｒｍａｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ ａｎｄ ｂｏｒｏｎ・ｃｏｄｏｐｅｄ ｇｅｒｍａｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｆｉｂｅｒｓ【Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， １９９９，１ Ｉ（１２）：１６３５一ｌ６３７ 【１３１张颖，关柏鸥，董新永等．一种新颖的基于预应变技术的光纤光栅应变温度传感器【Ｊ】．中国激光，２００１，２８（８）：７２９—７３１ 【１４］董兴法，付圣贵，姜莉等．用于结构损伤诊断的实用型光纤光栅传感器研究［Ｊ】＿光子学报，２００４，３３（１）：２８—３０ 【１５］Ｊ．Ｌｉｍ，Ｑ．Ｐ．Ｙａｎｇ，Ｂ．Ｅ．Ｊｏｎｅｓ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｆｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｒｇａｔｉｎｇｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ【Ａ】．ＩＥＥＥ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｎａｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｃｅｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｎ￣ｒｅｎｃｅ［Ｃ］，２００１，１４６３—１４６６ 【１６］Ｇｕａｎｇｈｕｉ Ｃｈｅｎ，Ｌｉｙｉｎｇ Ｌｉｕ，Ｈｏｎｇｚｈｉ Ｊｉａ，ｅｔ ａ１．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｉｆｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｗｒｉｔｔｅｎ ｉｎ ｎｏｖｅｌ Ｈｉ・Ｂｉ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ［Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００４，１６（１）：２２１—２２３ 【１７］Ｋｙｕｎｇ Ｊｕｎ Ｈａｎ，Ｙｏｎｇ Ｗｏｏｋ Ｌｅｅ，Ｊａ￣ｏｏｎｇ Ｋｗｏｎ，ｅｔ ａ１．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ａ ｌｏｎｇ－ｐｅｒｉｏｄ ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｉｎｓｃｒｉｂｅｄ ｏｎ ａ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｉｂｅｒ ｌＪ］．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅＬｔｔｅｒｓ，２００４，ｌ６（９）：２１ １４～２ｌ１６ ［１８］Ｃ．Ｆｅｒｎａ＂ｎｄｅｚ－Ｖａｌｄｉｖｉｅｌｓｏ，Ｉ．Ｒ．Ｍａｔ３￣ ａｓ，Ｆ．Ｊ．Ａｒｒｅｇｕｉ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｉｆｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ ａｎｄ ａｔｈｅｒｍｏｃｈｒｏｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｆ Ｊ】．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ，２００２，（１０１）：１０７～１１６ 【１９］毕卫红，李卫，傅广为．分布式光纤光栅实现应变和温度的同时测量［Ｊ】．光电子激光，２００３，１４（８）：８２７—８２９，８３４ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｉｔｕｒａｔｉｏｎ ０ｆ Ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ０ｆ ＦＢＧ ＪＩＮ Ｘｉｕ—ｍｅｉ （Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００４１ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ＦＢＧ ｉｓ ａｌｗａｙｓ ａ ｆｏｃｕｓ ｉｎ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｆｅｌｄｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅ．Ｔｈｅ ｓｏｌｖｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｒｅ ｃａｔｅｇｏｒｉｚｅｄ ｉｎｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ｇｒｏｕｐｓ．Ｆｒｏｍ ｈｔｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｂｏｎｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ａｃｔｕａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ，ｄｅｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｈｔｅ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅｓ ｉｎ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ａｔｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａ ｐｒｏｐｅｒ ｓｃｈｅｍｅ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＦＢＧ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒａｉｎ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ５６
