文章编号:1005-3387(2006)04-0003-04
2006年第4期
光纤布拉格光栅温度传感特性与实验研究
张 磊 莫德举 林伟国 韩杏子
1
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2
(1.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029 2.北京理工大学,北京 100081)
摘 要:从光纤布拉格光栅温度传感模型出发,对光纤布拉格光栅温度传感的理论进行了分析,并通过实验对裸光栅的温度特性进行了研究,推导出了光纤布拉格光栅温度传感的一阶有效线性灵敏度系数的解析式。实验结果表明,光纤光栅在所测温度范围内具有良好的线性特性,与理论结果基本一致。表明光纤光栅温度传感的理论模型具有良好的实验基础。
关键词:光纤布拉格光栅;温度传感;光纤传感器中图分类号:TB96 文献标识码:A
0 引言
自1989年Morey报道将光纤光栅用于传感以来
[1]
的数学模型,对研究的光纤光栅作以下假设
[5]
。
1)仅研究光纤自身各种热效应,忽略外包层及
被层物体由于热效应引发的其他物理过程。
2)仅考虑光纤的线性热膨胀区,忽略温度对热膨胀系数的影响。
3)在1.3μm～1.5μm的波长范围内,认为热光效应在研究的温度范围内保持一致,也即光纤折射率温度系数保持为常数。
4)仅研究温度均匀分布情况,忽略光纤光栅不同位置之间的温差效应。2.2 光纤布拉格光栅温度传感模型分析
从光栅Bragg方程(1)出发,当外界温度改变时,若不考虑应力作用,可得Bragg方程的变分形式为
[5]
,光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了
人们的极大兴趣。光纤光栅是波长编码传感器,与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比,具有以下优点
[2,3]
:与光源强度、光源起伏、光纤弯曲损耗、
光纤连接损耗、光波偏振态无关,因此它具有很强的抗干扰能力,并且易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络,实现分布式多点实时在线传感,广泛用于温度、应力、应变等物理量的测量。随着光纤光栅各项技术的发展,其成本也将更加富有市场竞争力,因此具有广阔的前景。
:
1 光纤布拉格光栅传感机理
由耦合模理论可知,光纤布拉格光栅的中心反射波长应满足
[4]
Δλ2(ΔneffΛ+neffΔΛ)(2)B=
对式(2)展开,可得温度变化ΔT导致光纤布拉格光栅的相对波长移位为:
Δλ2B=
neff neff
ΔT+(Δneff)+Δaep T a
ΛΔT T
(3)
λ2neffΛB=(1)
式中,neff为纤芯的有效折射率;Λ为栅格周期。由式(1)可以看出,光纤布拉格光栅的反射波长随neff和Λ的改变而改变。因此,当外界条件变化引起这两个参数变化,通过测得反射波长的变化就可以测量外界物理量。
+2neff
式中,(Δneff)ep代表热膨胀引起的弹光效应; neff/ a代表由于热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应。
由式(1)和式(3)可得ΔλB
=λB
[6]
:
2 光纤布拉格光栅温度传感模型
2.1 光纤光栅温度传感模型分析的前提假设
外界温度改变会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看,引起波长移位的原因主要有3个方面:光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能得到光纤布拉格光栅温度传感更详细
neff1Δ(neff)neff1 ep1
+ + neff TneffΔTneff a Δa1 Λ
+ ΔTΛ T式中,1/neff neff/ T代表光纤布拉格光栅热
(4)
光系数,用ξ表示;1/Λ Λ/ T代表光纤布拉格光栅热膨胀系数,用α表示。
—3—则式(4)可表示为:
ΔλBneff)epneffΔ1Δ(1 a=ξ+α+ + λBneffΔTneff aΔTΔT=ηΔT(5)
Δ(neff) neffep11式中,η=ξ+α+ +
neffΔTneff aΔa
,η为光纤的灵敏度系数。ΔT
对于熔融石英光纤,其热光系数ξ=0.68×10
-5
/℃,线性热膨胀系数α=5.5×10
-7
图1 布拉格光纤光栅温度测量试验装置图
/℃,若忽
略波导效应时,光纤光栅相对温度灵敏度系数为
-5
0.6965×10/℃,对1550nm波长可得单位温度变化下引起的波长移位为10.8pm/℃。对于波导效应,可以明显看出它对温度灵敏度系数的影响极其微弱,因为线性热膨胀系数α较热光系数要小两个数量级,再加之波导效应本身对波长漂移的影响又较弹光效应小许多,故在分析光纤光栅温度灵敏度系数时可以完全忽略波导效应产生的影响。
由以上分析可知,当不考虑外界因素的影响时,弹光效应以及波导效应不对光纤光栅的波长漂移造成显著影响。则式(5)就变为:
ΔλB
=(ξ+α)ΔT=ηΔT(6)λB
若不考虑温度对热膨胀系数α和热光系数ξ的影响,则光纤光栅温度灵敏度系数η为一常量,由式(6)可以得出,光纤光栅反射波中心波长相对漂移量ΔλλT成正比,比例系数就是B/B与温度改变Δ光纤光栅温度灵敏度系数η。
[6]
[5]
4 分析与结论
4.1 实验结果分析
在实验中,恒温水浴的温度调节范围从室温到80℃,以大约10℃为间隔进行测量,得到光纤布拉格光栅中心波长随温度变化的数据如表1所示。
表1
光纤布拉格光栅温度传感实验数据
透射中心波长(nm)
1548.541548.561548.661548.741548.851548.941549.06
波长移动(nm)
00.020.120.200.310.400.52
温度(℃)
25304050607080
采用最小二乘法对表1中的数据进行曲线拟合,假设λb0+b T。由最小二乘法理论可得:B=
N
b=∑(T
i
i
-T)(λBi-λB)
(7)
i
N
∑(T
i
-T)
2
3 实验方法
实验采用恒温水浴的方法对一个中心波长在1550nm左右的裸光纤布拉格光栅进行温度特性测量。光纤光栅的波长使用光功率计Aglient8163A和可调激光器AglientB164A的组合测量系统读出。
整个实验装置构成如图1所示。
如图1所示,裸光纤光栅位于恒温水浴中,用胶袋将光栅的两头固定在一块塑料板上,以防止水流对其的冲击带来的测量误差。由于恒温水浴在达到设定值之后的变化微小,因此可以忽略由于切换造成的时间上的温度变化。光功率计测量光纤布拉格光栅的透射光功率,在恒温水浴温度稳定的前提下,调节可调激光器输出,观察光功率计示数,当光功率计示数显示为近似最小时,这时可以认为可调激光器的输出光波长即为此温度下光纤布拉格光栅对应的反射波长。—4—b0=λB-bT
由式(7)和式(8)的计算可得
(8)
λ1548.2580+0.00998×T(9)B=
所测得的光纤布拉格光栅单位温度变化下引起的波长移位约为9.98pm/℃。温度测量响应拟合曲线如图2所示。
图2 温度测量响应拟合曲线
(下转第21页)
图3 程控自动运行的多线程实现
6 结论
本文论述了材料试验机程控自动运行的实现方法,分析了几个关键问题的解决途径。笔者提出的这种新的试验机程控控制描述语言具有易于使用、能够准确描述试验过程、指令扩展方便等特点,能够在一定程度上降低试验机测控卡的开发难度和成本。采用多线程技术实现程控自动运行能保证系统的实时性。在笔者开发的材料试验机测控系统中运用文章所述方法,获得了良好的系统性能。
参考文献:
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与应用[M].北京:清华大学出版社,2002
(上接第4页)
4.2 实验结论与应用实践
从实验结果看出,光纤布拉格光栅中心波长与温度有比较好的线性关系,1550nm附近的光纤布拉格光栅单位温度变化下引起的波长移位约为10pm/℃,与理论值吻合得比较好,这表明光纤光栅温度传感的理论模型具有良好的实验基础。
值得注意的是实验中温度变化低于100℃,但光纤布拉格光栅作为传感器件,在实际使用中会出现光栅周围温度高于100℃的情况,这时光纤布拉格光栅中心波长与温度呈二次关系而非线性关系
[7]
ProcSPIE,1989,1169:98-107.
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LiuYing-gang.NonlinearphenomenaoffiberBragggrat-ingtemperaturesensing[J].ACTAPHOTONICASINI-CA.July,2003.Vo.l32,No.7.
。同时,对于很多应用来说,还需要提高光纤
光栅温度传感器的灵敏度,目前较常见的方法是
对裸光纤进行特殊封装,以达到保护及增敏的效果。
参考文献:
[1] MOREYWW.FiberopticBragggratingsensors[J].
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