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Measurement 38 (2005) 30–33

基于一对光纤光栅的新型力传感器

Yong Zhao ^*, Yan Zhao, Mingguo Zhao

清华大学自动化系, 北京 100084, 中国

Received 9 January 2004; received in revised form 18 November 2004; accepted 25 February 2005

Available online 18 April 2005

摘要

本文提出了一种新型的电磁力传感器。输入电流产生的力导致悬臂结构的变形，一对光纤布拉格光栅安装在悬臂的两边。通过监测这两种传感器的波长位移差值，可以求得电磁力，而且传感器的交叉敏感效应可以通过温度补偿效应得到解决。介绍了测量理论。进行了仿真和初步实验，结果验证了该传感器的可行性。

关键词:光纤传感器；力的测量；光纤布拉格光栅；电磁测量；电流；差分法

1. 介绍

光纤传感的优点是众所周知的，并且得到了广泛的发展和研究。[1,2].然而，强度调制型和相位调制型光纤传感器在实际应用中仍存在一些有待解决的问题。例如光源功率波动、损耗、散射和吸收等都会影响强度调制型光纤传感器的性能 [3], 而且由于温度漂移和振动的存在，相位调制型光

• Corresponding author. Tel.: 86 1062795961; fax: 86 1062786911.

E-mail address: zhaoyong@tsinghua.org.cn (Y. Zhao).

纤传感器的测量准确性不理想。与其它光纤传感器相比，FBG传感器具有更多的性能优势：(1)从FBG传感器获得的信号直接编码在波长域中。 与其他传感方案相比，这通常是一种优势，也有利于波分复用。(2) 在不改变纤维直径的情况下，它们可以直接嵌入纤维中，这使得它们能够适应各种需要小直径探针的情况，比如在高级复合材料中进行应变映射，或者对人体进行温度分析。 (3) 光纤光栅传感器装置是一种简单、固有的传感元件，具有光纤传感器通常具有的所有优点，如电无源操作、抗电磁干扰、灵敏度高、潜在成本低。这些优点提高了其他光纤传感器的一些性能，但是FBG传感器对应变和温度都敏感，在实际工程应用中，这种交叉敏感效应必须加以鉴别。

0263-2241/$ - see front matter 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

doi:10.1016/j.measurement.2005.02.005

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本文提出了一种基于光纤布拉格光栅技术的新型电磁力传感器.它充分利用了光纤光栅传感器的优点。而且设计的传感器结构也具有对测量结果进行温度补偿解决FBG传感器交叉敏感问题的优点。

2. 传感器结构与测量原理

图1给出了所提出的电磁传感器的示意图。它由一个框架，一个电流线圈，一个三角形悬臂梁末端的一个电磁铁，以及一对光纤布拉格光栅组成。两个FBG传感器对称地卡在悬臂梁两侧的中心线上(如图1(b)所示)。因此，可以实现一种用于FBG传感器波长测量的推挽差动技术，以提高悬臂上施加力时的灵敏度。输入电流产生的电磁力作用在悬臂末端的电磁铁上，导致悬臂变形。悬臂梁的变形将作用于两个FBG传感器上，导致FBG传感器的波长偏移。

基于材料力学理论，如图1(b)所示，等厚三角形悬臂梁的纵向应变可以用施加在悬臂梁自由端的力F表示 ：

其中L是悬臂梁的长度，h是悬臂梁的厚度，E是悬臂梁材料的杨氏模量，b₀ 是悬臂梁固定端的宽度。

从方程(1)可以看出，如果结构参数已选定，则等厚悬臂梁的纵向应变与位置无关。 也就是说，张力在悬臂梁上是恒定的，它只是作用力的线性函数。这有利于避免光栅光谱中的干扰信号，提高波长位移测量信号的分辨率。

对于FBG，布拉格波长随应变和温度 的变化可以用下式表示[4]:

其中是光纤的外加应变，是光纤的光弹性系数，是光纤的中心波长，是光纤材料的热膨胀系数，为光纤热光学系数。

由于这两个FBG传感器非常接近，所以它们的由于温度引起的布拉格波长位移被认为是相同的。

图1.基于光纤布拉格光栅的压力传感器结构

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但是，由应变(或压力)引起的位移方向相反(符号相反)，绝对值相同。也就是说，相对于上方的FBG传感器，正应变对下方的FBG传感器的影响是相反的。基于差分测量方法和特殊设计的结构，在宽度相同的情况下，布拉格波长的长度将分别向较长波长和较短波长的方向移动，两个位移布拉格波长的差值(对应于压力)可以用方程(1)及(2)表示为:

它们的和(对温度来说)为：

从方程(3)和方程(4)可以看出，本文提出的传感器结构实现了力、温分离测量，差分法在理论上提高了测量灵敏度。

3. 仿真与初步实验结果

为了验证所提出的方法和结构的可行性，进行了初步实验和试验。以甲基为原料制成的悬臂梁，h=2mm，b₀₌10 mm。 L=40mm。所使用的两组FBG传感器的参数均为 ₌ 1565.30 nm，=0.22，，。

图4.波长位移随作用力变化的实验结果

图2.测试波长位移与作用力的关系的实验装置

图3.OSA记录的外力增加时波长变化的实验结果

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图5.所开发传感器的交流电信号测量结果(a)原始输入信号(b)测量结果

图2显示了测试FBG传感器的波长位移与所施加的力之间的关系的初步实验设置。图3为两种FBG传感器在增加外力作用下的波长位移实验结果。

图4为悬臂梁上表面单个光纤光栅的波长位移，以及外力作用下两个光纤光栅的波长差。从中我们可以看到,在单一的光纤光栅的波长位移曲线中有两个明显的波动,这是因为短暂的环境温度漂移(在这个实验中短时空调冷却),而这两个FBG传感器的波长差曲线是独立的温度波动,这表明了用于温度补偿的差分方法和交叉敏感的处理的有效性。图5为交流输入电流信号与实测结果。输出信号中的噪声比原始输入信号中的噪声小。这是因为在信号处理电路和信号处理软件中，通过滤波器增加了平滑处理过程。

4. 总结

本文提出了一种基于差分光纤布拉格光栅传感器的力传感器，该传感器可用于测量输入电流引起的电磁力。差分法有效地解决了光纤光栅传感器的交叉敏感问题。 也可以通过改变传感器结

构的材料和尺寸来增加传感器的灵敏度和测量范围。此外，所提出的测量原理和所设计的传感器结构也具有一定的优越性：

基于光波长调制的测量原理避免了光强变化的影响；

设计的等腰等厚三角形悬臂梁提高了光谱质量，提高了测量分辨率；

而且运用差分的结构和方法提高了传感器的灵敏度。

参考文献

1. J. Lim, Q.P. Yang, B.E. Jones, P.R. Jackson, DP flow sensor using optical fiber Bragg grating, Sensors and Actuators A 92 (2001) 102–108.
2. Y. Zhao, Y. Liao, Discrimination methods and demodula-tion techniques for fiber Bragg grating sensors, Optics and Lasers in Engineering 41 (1) (2004) 1–18.
3. Dionisio A. Pereira, Orlando Frazaotilde;, Joseacute; L. Santos, Fiber Bragg grating sensing system for simultaneous measurement of salinity and temperature, Optical Engineering 43 (2) (2004) 299–304.
4. A.D. Kersey, M.A. Davis, H.J. Patrick, M. LeBlanc, K.P. Koo, Fiber grating sensors, Journal of Lightwave Technol-ogy 15 (1997) 1442–1463

用光纤布拉格光栅同时测量应变和温度

Bai-Ou Guan, Hwa-Yaw Tam, Member, IEEE, Xiao-Ming Tao, and Xiao-Yi Dong

摘要:提出并验证了一种基于超结构光纤布拉格光栅(SFBG)的新型简易光纤传感器，用于应变和温度的同步测量。该传感器的传输谱具有多个窄带损耗峰，位于一个宽带损耗峰的斜坡上。通过测量其中一个损耗峰的传输强度和波长，可以同时确定应变和温度。这种传感器在测量应变和温度时，在0 - 1200范围内的精度估计为plusmn;20，在20 - 120℃范围内的精度估计为plusmn;1.2 ℃。

索引条目-光纤布拉格光栅 长周期光栅 应变和温度的同时测量

1. 简介

光纤布拉格光栅( FBG)作为测量应变、温度和其他物理参数的传感器已经引起了广泛的兴趣。然而，光纤光栅对应变和温度敏感，因此不可能使用单个光纤光栅独立测量这两个值。 为了克服这一局限性，提出了双波长叠加光栅[1]、混合布拉格光栅/长周期光栅[2]、双径FBG[3]、偏振光摇摆滤波器叠加FBG[4]、FBG结合EDFA[5]、光纤光栅法-珀罗腔法[6]等技术。大多数光纤光栅是由两个光纤光栅或单个光纤光栅与其他光纤元件组合而成。我们非常期望利用单一的传感元件来实现应变和温度的区分。作者最近研究的FBG法布里-珀罗腔法使用了一个很短(5毫米)的光纤传感器，将应变和温度编码到传感器反射光的功率和布拉格波长位移中，从而实现应变和温度的同步测量。然而，光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔传感器的制造是相当困难的。本文介绍了一种基于超结构光纤布拉格光栅(SFBG)的新型简单光纤传感器，该传感器可以同时测量应变和温度。SFBG易于制造，只需单步紫外线曝光。

1. 原理

SFBG是一种特殊类型的光纤布拉格光栅，它是利用相位掩模长度上的周期性调制曝光来制造的。SFBG是一种周期性调制的光纤光栅，它将前向传播的LP模式与反向传播

资料编号：[3825]