布喇格光栅在温度测量中的应用

　　1　引言

　　布喇格光栅因其抗电磁干扰、高灵敏度、结构简单等优点,已经广泛应用于拉伸、温度、应变等物理量的测量中。在一般应用布喇格光栅测温的传感器中,只是利用温度的变化引起光纤的应变。然而,光纤本身随温度的应变范围相对较小,这种缺点限制了传感器的测量范围和灵敏度。解决这一问题的方法是利用特殊金属热膨胀性大的特性和布喇格光栅灵敏度高的特性组成温度传感器。该传感器既克服仅用布喇格光栅的缺点,也克服其它光学方法测温的结构复杂的缺点。

　　2　布喇格光栅测温原理

　　对于金属材料,温度变化和应变的关系可用式(1)表示〔1〕:

　　由式(1)知,温度变化量由金属转变为金属条的伸长量。测量金属条的伸长量成为主要任务。采用布喇格光栅有效的测量微位移。

　　布喇格光栅的结构如图1所示。

　　该光栅经腐刻而成。将光纤的两头与金属条紧密铆接在一起,则金属条的应变拉长反映在光纤的伸长上。分析中将光纤看成一个弹性圆柱体。弹性圆柱体在轴向受到拉压力时,长度会发生变化,同时引起截面积的变化。根据光纤的光弹效应,光纤的折射率也会随之改变。纤心半径与折射率的改变导致光纤模体积数的改变,这些变化与外部应力的变化成正比。在轴向力的作用下,物体受到的应变与其横截面积成反比。因而传感器的齿和槽在受拉压的过程中,应变的变化是不等的,这就使得齿和槽的模体积数的变化量不等。这样传感器可看作是由模体积数为Vu的光纤和模体积数为Ve的光纤相互交替连接而成。光经过传感器时,将要通过2N个连接点,其中N个接点处光从模体积数为Vu的光纤传向模体积数为Ve的光纤,另N个接点处光从模体积数为Ve的光纤传向模体积数为Vu的光纤。两根模体积数不同的光纤连接时,光的传输将发生光功率损耗。通过检测这种损耗,就可知外界应变的大小。

　　经推导知布喇格光栅的光功率损耗与应变的关系为〔2〕

式中:K为布喇格光栅的传输参数,与光栅的结构参数Lu、bu、Le、be及光纤的弹光系数p11、p12有关,当光纤腐蚀刻制后,这些结构参数为常量,则K为常量; N

　　为光纤刻槽的个数;ε为光纤所受的拉压应变。由式(1)、(2)知:

　　对于特定的光纤,Q、K、N为常量,只要测出光功率的损耗就可以计算出温度的变化量。

　　3　传感器设计

　　传感器的结构如图2所示。

　　将特定光纤按设计好的L和N腐刻,在实验中使用的光纤为折射率n0=1·485,泊松系数σ=0.17,弹光系数p11=0.12,p12=0.27的光纤进行腐刻。