1、光纤光栅传感器应力检测温度效应分析l20 低温建筑技术 2OO6 年第 3 期(总第 111 期)光纤光栅传感器应力检测温度效应分析徐建明,吴宏兵,叶茂(1.浙江建德市五岳房地产开发有限公司,浙江建德 311600;2.苏州市水利设计研究院有限公司,江苏苏州 215011;3.杭州市城市土地发展有限公司,浙江杭州 310000)【摘要】目前光纤光栅传感器在土木工程安全监测中得到广泛应用,但由于应变及温变对光纤光栅的复合作用,导致应力测试精度受温度影响明显.本文在对光纤光栅传感器应变,温度传感的工作机理等进行阐述的基础上,对温变效应对应力测量的影响进行了分析,并将传统的应变片,振弦传感器进行了比
2、较分析.【关键词】光纤光栅;应力传感器;温度效应;测试精度【中图分类号】TU317.4【文献标识码】B【文章编号】10016864(2006)030120020 引言光纤传感器技术是上个世纪逐步发展起来的一种新型的传感技术,传统的光纤传感器绝大部分是“光强性“ 和“干涉型“, 目前应用最多的是光纤光栅(FBG)传感器,其测量信息为波长编码,FBG 种类众多,主要有应力,温度,位移,压力,液位及动态应变等传感器,其中最为成熟的是应力和温度传感器,也是目前在土木工程领域应用最多的光纤光栅类传感器.一根光纤要经过写入,封装,检验及标定等步骤才能成为一个合格的传感器,再用可靠的方法进行工程安装,方可用
3、于结构安全监测.因此,光纤光栅传感器的测试精度不仅仅依赖于光纤光栅的特性,还在于传感器的制作工艺及安装方法,而应变和温度交叉效应是影响测试精度的一关键因素.本文在对光纤光栅传感器工作原理进行论述的基础上,对光纤光栅分析了温度补偿问题,并与电阻应变片及弦式传感器进行了比较.1Bragg 光栅工作原理众所周知,光纤主要起信号传输作用,而刻有 Bragg 光栅的光纤会对入射的宽带光进行选择性反射,反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光,起选择反射镜的作用.由光纤光栅所反射回的窄带光中心波长将满足公式(1)表示的条件 ,这个条件就是 Bragg 条件l】.AB=2nrA(1)式中,为反射波
4、的中心波长;ndr 为纤芯折射率;A 为光栅周期.由式(1)知,Bragg 波长随 n 和 A 的变化而变化,通过对式(1)微分 ,可得到反射波中心波长漂移与 n 和 A 变化的关系式:s=/,ds(2)nn 和 A 的改变与应变和温度有关,应变和温度分别通过弹光效应和热光效应影响 n,通过长度改变和热膨胀效应影响 A,进而使发生移动.折射率,周期和应变及温度的关系如式(3),(4).:一 P+(3)一dA:+az3T(4)A +L4J式中,P 为有效弹光系数 ;e 为光栅的轴向应变;a 为光栅的热膨胀系数;为热光系数;AT 为温度变化值.因此,由应变,温度引起 Bragg 光栅波长漂移如公式
5、(5)所示.,52= +=B(1 一 P) +B(a+)T=K+KTAT(5)式中,分别为应变,应变引起 Bragg 光栅波长漂移值,K,分别为测量应变,温度的灵敏度.从公式(5)可以看出 ,的漂移与光栅的轴向应变和温度变化呈线性关系,通过测量反射波长的漂移,可得被测物理量的信息,如温度,应变.但从公式(5)也可看出,波长的漂移是应变和温度的耦合结果,这种耦合关系是影响应力测量的关键因素 J,在应力测量中,必须处理好温度补偿问题,这在本文将作重点讨论.2 光纤光栅传感器的温度补偿由于光纤光栅传感器能同时对温度和应变敏感,这给应变测量带来了交叉敏感问题.当光纤光栅用于应变测量时,往往很难分辨出应
6、变和温度所分别引起被测量的变化,因此在实际应用中必须考虑温度的影响,采取适当的方法对温度效应进行补偿.2.1 补偿方法目前提出的光纤光栅应变传感器的温度补偿方法很多,大多基于两种思路:温度的过程补偿和温度的结果补偿 .温度的过程补偿指在应变测量过程中温度效应自动抵消.该类补偿方法要求通过对传感单元进行特殊设计和布置,使其对温度不敏感.温度的结果补偿是指在测量后经过某种运算或处理对温度效应进行剔除.该类补偿方法的重点是在传感器的布置及数据处理.目前在土木工程结构监测中,一般都采用结果补偿法 Dl.2.2 温度结果补偿法的计算公式目前在结构监测中,大多采用参考光纤光栅法进行温度补偿,该法的关键在于
7、两个方面:一是确保温度传感器不受应变影响且与应变传感器位于相同的温度场中;二是针对该补偿方法,推导具体的温度补偿计算公式,这可由公式(5)导出.徐建明等:光纤光栅传感器应力检测温度效应分析 121对于温度传感器只受温度作用,其波长漂移量的计算公式如式(6):.=K.At(6)对于应变传感器,它受温度和应变共同作用,其中应变由两部分组成:结构物被测位置实际发生的应变和基体材料因温度部分而产生的应变.因此应变传感器与温度和应变的关系如式(7):.=KSc( E+)+(7)式(6),(7)中,.,分别为温度传感器 Biag波长,温度灵敏系数;.,K,K 分别为应变传感器 Bragg 波长,应变和温度
8、灵敏系数;a 为基体材料热膨胀系数.经整理得:LXe=Ks Lr(8)式中,K=1/KSc,L=(+Sc)/(K),K,为常数,将温度传感器,应变传感器的 Bragg 波长代入式(9),即可求出真实测量应变.2.3 温度效应的误差分析从理论上来看,按公式(8)可以消除温变对应力测试结果的影响,但由于温度传感器测量误差的存在以及应力测点和温度测点位置并不能做到完全一致,因此不可避免地导致温度补偿中存在误差.对于 FBG 传感器,由于温度测量误差引起的应变测试误差的计算公式如式(9).=KAT/(9)在目前条件下,温度灵敏度系数一般远高于应变灵敏度系数,应力测试结果受温度干扰明显.如目前在国内市场
9、实际存在的一类 FBG 传感器,其中心波长为 1286.286nm,温度,应变灵敏度系数 24.97pm/C,0.80pm/tnt,当温度测试误差为 1时,会导致 31.2tnt 的应力测试误差.2.4 与弦式应力计,应变片的温度影响效应比较在目前结构测试中,一般可采用应变片,振弦式应力计或光纤光栅传感器进行应力测量.这三种测量方法都有一个共同的问题:温度变化与应变的交叉影响,因此须进行温度补偿.光纤光栅传感器由于温度测量误差引起的应变测试误差的计算公式如式(9),应变片和弦式应力计的分另 l】如式(1O),(11).=aIATlk+ag(1O).=OLxAT(11)式中,a.为电阻温度系数
10、,aa 为应变片敏感栅及振弦材料的膨胀系数;k 为应变片灵敏系数.影响温度补偿效果的因素很多,如补偿手段,温度误差效应,温度场的一致性等,下表从这三个方面对三种传感器进行了比较.从表中可看出,就补偿手段而言,应变片通过桥式电路等实现自补偿,而其他两种传感器则需通过测量温度通过计算来补偿;从温度误差效应而言,弦式传感器为 11左右,光纤光栅传感器目前为 1O 一 30,而应变片通过调节电阻温度系数,理论上可达到 01 这样一个小值;温度场的一致性同传感器的结构有较大关系,对于封装的光纤光栅传感器,结构温度要通过钢护套,环氧胶基层,光栅涂护层才最终传递到光栅,温度从结构到光栅的传递需要一定时间,一
11、致性稍差.因此,从温度补偿而言,应变片的效果最好,光纤光栅传感器的效果相对较差.常用类型传感器温度补偿效果比较表传感器类型补偿手段温度误差效应温度补偿yoc 一致性效果3 结语(1)由于光纤光栅传感器具有其他传感器不可比拟的优点,能进行应变,温度,变位及动态特性等的测量,将传感与通讯相统一,随着光纤光栅技术的发展及产品价格的降低,光纤光栅类传感器必将是结构安全监测中的首选.(2)鉴于应变和温度对光纤光栅中心波长的漂移的交叉影响,解决好温度效应的补偿问题是进行应变准确测量的关键,在工程监测中一个应变传感器必须配置一个温度传感器,以减小温度效应误差.(3)就光纤,应变及弦式传感器三者的比较来看,光
12、纤传感器受温度误差的影响较大,这在用 FBG 传感器进行应力测量时须特别注意的一个方面,在产品选用上要求选择目前市场上应变灵敏度系数相对较高的产品.参考文献1李宏男,李东升 ,赵柏东.光纤健康监测方法在土木工程中的研究与应用进展【J.地震工程与工程振动,2OO2,22(6).2白冰.光纤光栅传感器原理与应用研究J.气象水文海洋仪器,2005,(3).3李国利,李志全 .光纤光栅应变传感测量中的温度补偿问题J.激光与光电子学进展,21305,42(4).4田石柱,赵雪峰 ,周智.结构健康监测新型传感器光纤Brm,g 光栅J.低温建筑技术,2002,(4).【收稿日期2006-03-08作者简介 徐建明 (1966 一), 男,浙江杭州人,工程师,从事房地产开发项目.欢迎订阅 2006 年低温建筑技市杂志“