高双折射光纤光栅的温度/应变解耦方法的研究开题报告

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1 研究目的及意义

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings，FBG)是近年来引起广泛关注并迅速发展的一种新型光纤无源器件，抗电磁干扰、灵敏度高、重复性好、质量轻、探头尺寸小、传输距离远等优点，光纤兼容性好，目前已经在航天、航海、核工业、石油开采、电力系统、医疗、科学研究等领域得到了广泛的应用。但是，FBG 传感器往往不能单独监测一种物理量的变化情况，在测量应力变化的同时还对温度敏感，即出现应力/温度的交叉敏感问题^[13]。

由于光栅 Bragg波长对应变和温度都是敏感的，即波长信息里含有应变信息的同时，温度变化的信息也在其中。当光纤光栅用于传感测量时，单光纤光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的 Bragg波长的改变，即存在着应变温度交叉敏感问题。目前国内外许多学者提出了众多解决方案，如双波长法、双参量法、温度（应变）补偿法、具有特殊性性能光纤光栅法进行解耦，这些方案在精度、简易性和实用性等方面还有很大的提升空间。此次课题的目的在于寻找一种新的方法进行光纤光栅检测中的温度、应变解耦，提高应变的检测精度，结构简单，成本更低的实用解决方案具有重要的研究意义与实用机制。

1.2 国内外研究现状

从 1993 年起，人们就已经开始研究光纤光栅的交叉敏感问题。

双波长法是采用两个参数不同的光纤光栅对同一点进行应变温度测量，安装两个光纤光栅时，应使它们之间的距离足够近，以保证他们所受到的应变、温度是相同的。根据使用光纤光栅的数目可将双波长法分为多光纤光栅法和单光纤光栅法。从1994年起，国外M G Xu^[1]，S EKanellopoulos^[2]，Bhatia^[3]等人均提出不同的实行技术方案，但是在实用性以及成本上均不如人意。直到2001年，Y J Chiang^[4]等人提出将波长稍有不同的光纤布拉格光栅写在同一根光纤上，分别用两只玻璃管保护并平行放置，一根作为参考光栅，另一根用作传感光栅，感受外来应力的变化。参考光栅法结构简单，只要求一个光源和一个解调系统，但是实际上很难制作出中心波长完全相同的两个FBG，其中一个 FBG保护不足而容易遭到破坏。该技术方案虽然达到较高的线性度以及灵敏度，与热稳定度，结构简单，精度较高，但解调困难，成本较高。

基于单光纤光栅法，国内学者刘云启^[7]等人采用两种不同的聚合物对一个光纤光栅进行封装，由于两种聚合物具有不同的力学特性，封装后的光纤光栅会出现两个具有不同的应力和温度灵敏度的反射峰。该方案对光栅起到了保护作用，但对封装材料的膨胀系数以及封装结构的稳定性的要求较高。

双参量法的基本思想是在一个测量点除利用光纤光栅得到一个随温度、应变变化的 Bragg 波长漂移量外，还引入另外一个对应变、温度同时敏感并成线性关系的函数，通过解这两个联立方程实现温度不敏感测量或应变温度同时测量。近些年J June^[8] ，O Hadeler^[9]等人提出不同的技术方案，大多都可以实现对温度和应力的同时测量，但光路复杂，不具备波长调制的优点。

温度（应变）补偿法是通过对封装结构的设计或对传感探头进行特殊设计，使其某相对物理量对温度（应变）不敏感，从而达到测量应变（温度）或同时测量的要求。该方法仅能测量单参量，而不能同时测量双参量，可以对光栅起到保护作用，但难以同时测量温度和应变，且对加工工艺要求较高，不具有适用性。

2000年，S. Kim^[9]等人提出，利用一个一半固定在石英套管上的啁啾光纤光栅来制作应变传感，该方法的缺点是固定在石英套管上的啁啾光纤光栅体积变大，因而在工程应用中受限。

4．参考文献

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