单只光纤光栅阶呈现双反射峰实验设计方案策划设计方案.docxVIP

单只光纤光栅阶呈现双反射峰实验方案设计 一 实验背景 光纤光栅传感器具有波长编码、波分复用、抗电磁等优点，集信息传输与传感于一体，在智能材料与结构等领域有着广阔的应用前景。光纤的主要成分是二氧化硅，易脆断，采取相应的功能化封装，既起到保护作用又具有参数补偿]、温度增敏、应力增敏等功能。单模均匀光纤光栅在实际应用中受到外界横向应力、弯曲应力等会产生力致双折射，使单反射峰分裂成双峰，导致光纤快、慢轴的应力灵敏度有所不同，对应力的精确测量造成影响。 另一方面，预先设计的双反射峰（如图1所示）可以获知快、慢轴的灵敏度，可实现单支光纤光栅同时测量温度和应力参数，解决交叉敏感问题。 图1.1光纤光栅双反射峰示意图 二 设计原理 阶梯金属镀层保护的单模光纤光栅结构如图2.1所示， d1为裸光纤直径，d2为化学镀后直径，d3是再电镀后直径；L1为双镀层长度，L2为单镀层长度，L= L1+L2，L1=L2。αi、Ei、μi、ri(i=1,2,3)分别表示光纤、化学镀层和电镀层的线性热膨胀系数、弹性模量、泊松比、半径。根据保护层的热膨胀系数可将保护形式分为两种进行分析：保护形式 (Ⅰ)热膨胀系数大的金属镀层在内，热膨胀系数小的在外；保护形式(Ⅱ)热膨胀系数小的金属镀层在内，热膨胀系数大的在外，并做如下假设： （1）光纤光栅不同位置之间没有温差效应，温度不随Z轴变化，温度变化； （2）光纤和镀层的热膨胀系数在测量温度范围内为常数； （3）温度载荷作用下，光纤和镀层之间，内外镀层之间始终结合紧密； （4）光纤材料的热光系数始终保持不变。 图2.1 阶梯金属镀层保护的光纤光栅示意图 温度变化时，阶梯镀层光纤光栅将产生热应力，引起热应变。光纤光栅的中心波长λB在温度和热应力引起的应变作用下的漂移ΔλB为： (1) 式(1)中，ξ为光纤的热光常数，εＴＺ为镀层的约束产生的轴向热应变。 2.1保护形式（Ⅰ） 镀层和光纤光栅的热膨胀系数满足α1α3α2，假设阶梯镀层光纤光栅的双镀层端固定，单镀层端为自由端，可随温度的变化而自由膨胀，其热应变如图2.2所示。 图2.2 阶梯金属保护形式（Ⅰ）的光纤光栅热应变示意图 2.1.1 双镀层部分光纤光栅温度传感特性 光纤光栅、内镀层和外镀层紧密结合，它们之间没有相对位移。当温度变化ΔT时，满足条件 (2) 在式（2）中，表示在(双镀层)段上第i层的轴向热应力。 。。。。。。由此得出双镀层部分光纤光栅温度灵敏度的数学模型 2.1.2 单镀层部分光纤光栅温度传感特性 光纤光栅和镀层紧密结合，它们之间没有相对位移。当温度变化ΔT时，满足条件 α1?TL1－σ1zE1L1=α2?TL2+σ2zE2L2 和σ1zA1=σ2zA2 由此得出单镀层部分光纤光栅温度灵敏度的数学模型 三 设计方案 1. 在所做过的Ni-Cu阶梯镀层保护光纤光栅温度特性实验中，画出的实验拟合图如下: 得出双反射峰的2个不同温度灵敏度: 波长为λB1的Cu的温度灵敏度为19.0 pm/℃ 波长为λB2的Ni的温度灵敏度为11.14 pm/℃ 2. 双镀层部分设计方案 金属化保护后FBG温度特性（忽略径向压应力作用） 光纤光栅受轴向压应力作用时 ①按保护方式（Ⅰ），选取内镀层Cu和外镀层Ni为镀层材料， 如上图所示，设Ni层长为L1，Cu层长为L， 光纤半径为r1，Cu层厚度为r2，Ni层厚度为r3。 以温度变化?T0为例。在轴向上，Ni-Cu双金属镀层的FBG可简化为三根长度材料不同的棒粘接在一起，因为Ni层和Cu层之间以及Cu层和FBG之间没有相对滑移,满足以下条件： α2?TL－σ2zE2L=α1?TL+σ1zE1L α2?TL－σ2zE2L=α3?TL1+σ3zE3L1 σ1zA1+σ3zA3=σ2zA2 (Ai (i=1，2，3)是第 i层的横截面积) 联立以上三式可得由轴向热应力引起的FBG轴向应变（忽略由轴向热应力引起的FBG径向应变） ε1z=K1?T 其中，K1 定义为轴向热应力系数， K1=α2-α1E2L1r22-r12-α1L-α3L1E3r32-r22E1L1r12+E2L1r22-r12+E3Lr32-r22 Ni-Cu双金属阶梯镀层FBG的热应变为 εz=K1?T 综上推导出温度传感模型 ?λB=α+ξΔT+1+P12εZλB =KT+SZλB?T=KmTλB?T 其中KT=α+ξΔT，SZ=1+P12K1 ②按保护方式（Ⅱ），选取内镀层Ni和外镀层Cu为镀层材料， 如上图所示，设Cu层长为L1，Ni层长为L， 光纤半径为r1，Ni层厚度为r2，Cu层厚度为r3。 以温度变化?T0为例。在轴向上， Cu - N