光纤光栅微应变测量系统研究

　　1引言

　　光纤光栅作为一种新型的传感元件，以其独特的优点，在压力、温度、应变量等测量领域正逐步趋向实用化、工业化的应用[1]。

　　目前，国内外所设计的光纤光栅应变传感器由于其交叉敏感的特性，稳定性普遍较差，而且测量精度不高。本文基于光纤光栅法布里一拍罗腔的原理[2]，设计了一种新型的应变传感器。这种以双光栅为探头的应变测量系统，具有更高的稳定性、测量精度和分辨率。

　　2基本原理

　　在同一根光纤上刻两个参数相同的光栅就构成了光纤光栅F-P腔(如图1所示)，其中光纤光栅1和光纤光栅2具有相同的中心波长λB。两个光栅的长度为L，腔长为ho利用传输矩阵的方法，整个光纤光栅F-P腔的传输矩阵表达式为:

　　当两个中心波长相同的光纤光栅申接在一起时，光纤光栅F-P腔的反射谱将不满足标准的光纤光栅反射谱的形式，会产生分裂点，其反射谱如图(2)所示。

　　设

　　可求得光纤光栅F-P腔的反射率为:

　　当光纤光栅受到轴向应变作用时，光纤光栅F-P腔的腔长发生变化。测出这个腔长对应分裂点处的波长，通过式(3)求得此时的腔长大小。根据等式:ε=Δh/h,就可求得应变的大小。

3系统构成与实验结果

　　实验中，光纤光栅的调谐方法采用悬臂梁线性调谐技术，将传感探头的腔长部分用紫外胶粘贴于悬臂梁上，通过调谐悬臂梁模拟待测传感量的变化。实验所用的传感探头是在一根光纤上刻人两个完全相同的光栅，两个光纤Brags光栅波长都为1550. 003nm，长度为5mm, 3dB带宽为0. 2 nm，腔长为l Omm。其系统框图如图3所示。

　　为了消除温度的影响，将光栅探头放置在恒温油槽中进行实验。微调悬臂梁的螺旋调节器，使光栅探头受到轴向应变的作用。由光谱仪中可以观察到，分裂点波长向长波长方向移动，实验数据如图4所示。

　　图4为光纤光栅F-P腔在受到轴向应变作用时分裂点处的波长漂移曲线。实心点代表光谱仪中读出的数据，空心点代表理论的数值。由图4可以看出，系统的实际测量精度小于等于3 pm，分辨率为0. 0098με,实验结果与理论分析基本一致。

　　4结论

　　本文提出了一种新型的光纤光栅F-P传感探头，并研究了其基本工作原理，对该应变测量系统的关键技术进行了理论分析和推导，设计出了一种双光栅应变测量系统，并进行了实验验证。实验表明，此系统能够实现微应变的测量。

　　参考文献