一种新颖的光纤光栅传感器网络

第２３卷第２期　ＶＯＩ．２３　ＮＯ．２　湖　北　工　业　大　学　学报　２００８年４月　Ａｐｒ．２００８　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　［文章编号］１００３—４６８４（２００８）０２—００５０—０３　一种新颖的光纤光栅传感器网络　郑　慧，陈定方，李勇智　（武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉４３００６３）　［摘要］提出一种新颖的光纤光栅传感器设计方案，使传感器对环境温度的变化引起的Ｂｒａｇｇ波长漂移进　行自动补偿，而只对探测目标的空间位移做出线性的反应．从而实现不受环境温度影响的空间位移传感器网　络，在环境温度变化的干扰下对目标物体空问位移的长距离高精度探测．　［关键词］光纤光栅；Ｂｒａｇｇ波长漂移；传感网络　［中图分类号］ＴＰ３９１　［文献标识码］：Ａ　对位移参量的远程探测是电力、石油、煤矿等大　型工业生产中必不可少的生产环节，随着生产自动　其中　表示光纤光栅的中心波长，ｎ是光纤的有效　折射率，Ａ是光纤周期．　化的不断提高和信息技术的进步，人们对远程探测　网络的探测距离，探测精度和抗干扰能力提出越来　越高的要求．光波具有抗电磁辐射能力强，直线性　从式（１）可以看出，改变光纤光栅的有效折射率　可以改变光纤光栅的中心波长，通过测量这一中心　波长的变化可以进行许多物理量变化的测量　］．而　好，易于雨点网络进行光电或电光转换的特性，光纤　也具有波长范围宽、灵敏度高、抗电磁干扰和抗化学　腐蚀的特性．因此与传统的无线传感网络相比，基于　光波与光栅的无线传感器网络更加具有优势Ⅲ１］．　光纤光栅（ＤＦＢ）灵敏度高，对波长绝对编码且　易于复用和网络化，因而是实现无线遥感网络的理　想方案．应力是影响光纤光栅Ｂｒａｇｇ波长的关键因　素，位移的变化通常变化为光纤光栅所承受应力的　改变，通过测量光纤光栅Ｂｒａｇｇ波长的漂移得到目　这些物理量的变化最终都是通过光栅所受应力和其　环境温度的改变实现的　］．　应力和温度的变化导致光纤光栅有效折射率ｎ　和光纤周期Ａ的改变，进而带来Ｂｒａｇｇ波长的漂　移．应变通过影响光纤光栅的光栅常数和弹光效应　引起波长漂移，而温度则由于热涨和热光效应使得　布拉格反射波长发生变化，两者对光纤光栅波长漂　移的总贡献可表示成　Ａ１　Ｉ一标的位移信息．但光纤光栅的Ｂｒａｇｇ波长同时也受　到环境温度的影响，而且光纤光栅本身对应力和温　度造成的影响无法分辨．因此对温度造成的Ｂｒａｇｇ　波长漂移进行补偿可以实现高稳定性，高精确度的　长距离无线遥感网络．　（１一　）￡　＋（口＋　）△Ｔ．　（２）　ＡＢ　式中Ｅ为轴向应变，△Ｔ为温差；　为有效弹光系　数，Ａ和Ｎ分别为光纤的热膨胀系数和热光系　数Ｅ　．　将式（２）简化成为　Ａ１　一１　光纤光栅的Ｂｒａｇｇ波长漂移原理　光纤Ｂｒａｇｇ光栅利用紫外光对光敏光纤曝光，　在光纤中形成周期性分布的折射率变化，形成光栅，　因此Ｂｒａｇｇ光栅会在特定的谐振波长附近形成一定　带宽的能量反射［２］．谐振波长　＝Ｋ￡△￡＋ＫＴＡＴ．　（３）　ＡＢ　由式（３）可以发现光纤光栅Ｂｒａｇｇ中心波长的　变化受应力和环境温度两方面因素的独立影响，在　温度保持恒定的情况下，　仅仅与光纤光栅所受的　应力有关．这是由于在应力作用下，光栅周期发生变　化，同时由于弹光效应的影响，光纤的有效折射率也　２ｎ　Ａ．　［收稿日期］２００７—１２—０１　（１）　会发生变化．在保持温度恒定的条件下测量反射波　［基金项目］湖北省重点实验室开放基金重点项目（２００７Ａ０１）．　．　［作者简介］郑慧（１９８５一），女，湖北武汉人，武汉理工大学硕士研究生，研究方向：机械电子工程　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２３卷第２期　郑　慧等　一种新颖的光纤光栅传感器网络　５１　中心波长的改变量可以获得光纤光栅所受应力的改　变量．而且通过式（３）可以得知：温度恒定的情况下，　反射波中心波长的改变量与所受应力的变化呈线性　关系．位移的变化可以通过物理挤压，延伸等方式直　接转化为应力的变化，这就为光纤光栅作为位移无　线遥感网络的应用提供了理论基础嘲．　２对温度造成的波长漂移的补偿原理　光纤光栅Ｂｒａｇｇ波长的漂移对应力变化的线性　性需要一个温度恒定的环境，为获取这种环境，可以　用各种恒温措施来保持传感网络所在环境的温度绝　对恒定，这无疑需要大量的恒温技术和设备的应用，　极大地提高了无线传感器网络的生产和使用成本，　而且在野外、高空、狭窄等作业环境下，这种绝对恒　温的温度环境基本上无法在现有的技术水准下实　现，因此，采用环境绝对恒温的方法消除在位移测量　时温度变化对Ｂｒａｇｇ波长漂移的影响是不可行　的　．　工程上较为可行的方案是采取温度补偿的措　施．而Ｂｒａｇｇ波长的漂移仅仅只受温度与应力的影　响，故通过环境温度改变时光纤光栅所承受的应力　也发生相应变化来补偿温度变化导致的波长漂移是　极为实际的方案．由于系统主要应用于位移测量，所　以必须采用不同于位移的其他带来光纤光栅应变的　因素来进行对温度因素的补偿．　温度对　的影响主要是通过热光效应引起光　纤折射率的改变和由于光纤热膨胀带来的光纤周期　的改变：当温度升高时，光纤材料自身的热光效应会　导致光纤有效折射率的变大，而材料的热胀冷缩会　导致光栅周期变大，使　向波长变长的方向移动．　这一关系可以用　Ｔ一（口＋￣ｅ）ＡＴ２Ｂ　来描述．　而光纤光栅发生应变时，　的漂移一方面是光　栅材料受应力影响带来的折射率的变化，这种效应　称为弹光效应ｌ８］，而另一方面光栅材料受应力影响，　其外形和微观质点的位置都会发生相应的变化，改　变光纤光栅的光栅周期所带来的，有　一（１一Ｐ　）￡　Ｂ．　不难看出，光纤光栅Ｂｒａｇｇ中心波长同时可以　受温度与应力的影响发生漂移，如果能使温度与应　力共同造成的波长变化在幅度上严格一致，而方向　相反，则可以实现基于应力的光纤光栅受温度影响　的自动补偿．即　（口＋￣ｅ）ＡＴ２Ｂ＋（１一Ｐ　）￡　Ｂ一０，　位移是待测参量，所以用于温度补偿的应变参　量变化必须由被测目标位移以外的因素决定，通过　使用特定的材料与结构对光纤光栅进行封装可以得　到随温度变化的应力补偿波长漂移的方法．在光纤　光栅的不同部位分别采用膨胀系数不同的材质，封　装时通过拉伸光纤得到所需的Ｂｒａｇｇ波长，而在工　作过程中，随着温度的上升，封装内部的膨胀导致光　纤光栅所受的应力减小，这样由温度上升引起的　Ｂｒａｇｇ波长漂移与应力变化产生的Ｂｒａｇｇ波长漂移　方向相反，而在温度降低时，光纤光栅所受应力变　大，温度与应力带来的波长变化仍然是相反的．因　此，通过恰当地选择材料和调整结构，可以利用形变　应力实现对温度的补偿　］．　３　基于光纤光栅的无线传感网络的组　建　传感网络的探测头（图１　用钢制悬挂梁装载自　动温度补偿光纤光栅，并使光栅与梁之间刚性连接．　使钢片尽可能薄，应变效率尽可能高，就可以使位移　变化转化成光纤光栅应变的效率尽可能高，也就提　高了传感器的应变灵敏度．将该悬挂梁粘贴在被测　球面的表面，球面位移的变化造成钢片和光纤光栅　的挤压或伸展，使钢片发生形变，而钢片的形变直接　带来光纤光栅所受应力的变化．通过光波检测出光　纤光栅Ｂｒａｇｇ波长的变化，经光纤光栅解调仪分析，　输出电信号至计算机进行处理，把波长的变化还原　为被测物体位移的变化并定标．　图１传感器探测头结构图　通过上述原理，选择合适的光纤材质和封装结　构实现温度漂移的自动补偿，可以大大提高探测的　精确度　］．　图２无线传感网络结构图　维普资讯 http://www.cqvip.com

５２　湖　北　工　业　大　学　学报　２００８年第２期　将多个探测头通过级联、整合的方式组成传感　器网络，可以实现单目标多点或多目标多点的精确　位移测量（图２）．　［３］Ｘｕ　Ｍ　Ｇ，Ｇｅｉｇｅｒ　Ｈ，Ｄａｋ　ｉｎ　Ｊ　Ｐ．Ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｇｌａｓｓ—ｂｕｂｂｌｅ　ｈｏｕｓｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，１９９６，３２（２）：１２８－－１２９．　ｓ　Ｄｏｎｌａｇｉｃ，　Ｍｉｒａｎ　Ｌｅｓｉｃ．　Ａｌｌ２ｆｉｂｅｒ　ｑｕａ－　［４］　Ｄｅｎｉ４　结语　１０多年以来，光纤光栅传感器的研究已趋于成　熟，但消除温度与应力因素对光纤传感结果的相互　影响一直是人们研究的重要内容．利用温度的自动　ｓｉ２ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｏｐ—　ｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００６，１４（２２）：１０２４５２１０２５４．　［５］　Ｊｏｎｇｈａｎ　Ｐａｒｋ，Ｇａｂｒｉｅｌｅ　Ｂｏｌｏｇｎｉｎｉ，ｅｔ　ａ１．Ｒａｍａｎ２ｂａｓｅｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔ　ｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ｓｉｍｐｌｅｘ　ｃｏｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｉｎｋ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔ—　ｔｅｒｓ，２００６，１８（１７）：１８７９２１８８１．　ｖ　Ａ．Ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｉｎ　ｍｏｄｅｒｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　［６］　Ｙａｒｉ补偿消除温度因素对位移测量的影响，能够大大提　高传感器位移测量的灵敏度．基于温度自动补偿组　建的无线传感网络也必将在探测精度，探测距离和　整体系统的可靠性上具有独特的优势．　［Ｍ］．Ｅｎｇｌａｎｄ：５ｔｈ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｏｘｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，　］ｎｃ。１９９７．　Ｅ７］　ＫＥＲＳＥＹ　Ａ　Ｄ，ＢＥＲＫＯＦＦ　Ｔ　Ａ，ＭＯＲＥＹＷ　Ｗ．Ｍｕ｜ｔｉｐ　ｌｅｘｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｔｒａｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｆｉ—　ｈｅｒ　ｆａｂｒｙ—ｐｅｒｏｔｗａｖｅ１ｅｎｇｔｈ　ｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］．Ｏｐｔ　Ｌｅｔｔ，１９９３，１８　（１６）：１３７０—１３７２．　［　参　考　文　献　］　ａｏ２ｑｉｎ，ＧＡＯ　Ｆｅｎｇ，Ｊ　ＩＡ　Ｌｕ２ｎｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｅｘｐｅｒｉ—　［８］　Ｌ　Ｘｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔ　ｈｅ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ＤＰＢ　ＳＦＳ　ｐｅｒｆｏｒｍ—　ｓ—ＨｓｕｎＴｓａｉ，Ｗｉｎ－Ｙａｎｎ　Ｊａｎｇ，Ｆｅｎ—Ｆｅｎ　Ｙｅｈ，Ｃｅｎｔｒａｌ　［１］　Ｈｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｍｅｃｈａｎｓｉｍｆｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍ－　ａｎｃｅ　ｏｎ　ｅｒ２ｄｏｐｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ｌｅｎｇｔ　ｈ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ　Ｓｉｎｉ—　ｃａ，２００５，３４（７）：１０３２２１０３５．　ｐｅｎｓａｔｅｄ　ｐａｃｋａｇｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｉ　ｌＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ，２００１，２４（１）：８６—　９Ｏ１．　［９］　王远生，杨冬晓，毕　岗．单个光纤布喇格光栅实现应　变温度同时测量的研究［Ｊ］．传感技术学报，２００４，１７　（３）：４４９—４５２．　Ｅ２］　Ｄ０ＮＧＸＩＡＯ　Ｙ，ＸＩＡ０Ｍ　ＩＮＧ　Ｔ。ＡＰ　ＩＮＧ　Ｚ．Ｓｍａｒｔ　ｆｉ—　ｂｒｅｓ，ｆａｂｒｉｃｓ　ａｎｄ　ｃｌｏｔｈｉｎｇ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：ＣＲＣ　Ｐｒｅｓｓ　ＵＳＡ，２０００：１５Ｏ～１７３．　［１Ｏ］　张　艺，张在宣，金仁洙．远程分布式光纤温度传感器　系统的设计和制造［Ｊ］．光电工程，２００５，２（４）：４５－－４８．　Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ＺＨＥＮＧ　Ｈｕｉ　，ＣＨＥＮ　Ｄｉｎｇ—ｆａｎｇ　，ＬＩ　Ｙｏｎｇ—ｚｈｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏＪ　Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅ．，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｅｒｅ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃａｎ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｂｒａｇｇ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｄｒｉｆｔ，ｏｎｌｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ｅｘｐｌｏ—　ｒａｔｉｏｎ　ｍａｄｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｒｅａｃｔｉｏｎ，ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＴｈｕｓ　．ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｆｒｅｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ａ—　ｃｈｉｅｖｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｏｂｊｅｃｔ　ｓｐａｃｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｄｒｉｆｔ；ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　［责任编校：张岩芳］