摘 要

布拉格光纤光栅拥有优良的性能，常被用作传感元件，但是当其作为传感元件时，会由于外界的温度变化与应变产生中心波长的偏移，并且应变与温度变化是交叉敏感的，此时仅靠单个的波长偏移量无法解调出两个同时变化的物理量。为此，国内外的学者已提出多种解决方案，但是已提出的解决方案在实用性以及解调精度上均有所欠缺。而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。

论文主要采用光频域反射技术(Optical Frequency Domain Reflectometer, OFDR)技术结合保偏光纤光栅，通过获取保偏光纤中快慢轴两种不同的模的入射光以及反射光的信息，可以得到两个中心波长的偏移量，以此解得温度敏感系数以及应变敏感系数。此技术方案的优点是，在保持超高空间分辨率的同时，可解决分布式传感中温度应变交叉敏感的问题，从而实现全分布式高空间分辨率的多参量精确解调。

计算结果表明，此次使用的保偏光纤光栅的快轴温度敏感系数为10.663 pm/℃，慢轴温度敏感系数10.707 pm/℃，快轴应变敏感系数为1.019 pm/με，慢轴应变敏感系数为1.015 pm/με，利用该方案解耦测量得出的温度与应变量的误差均在5%以下，表明该方案可行，应用这些敏感系数可以在实际环境下测得变化的温度以及应变，以此解决温度与应变的交叉敏感问题。

关键词：温度/应变解耦；光频域反射技术；保偏光纤光栅

Abstract

Bragg fiber gratings have excellent performance and are often used as sensing elements, but when used as sensing elements, they will be offset from the center wavelength due to external temperature changes and strain, and strain and temperature changes are cross-sensitive. At this time, it is impossible to demodulate two simultaneously varying physical quantities by a single wavelength offset. To this end, scholars at home and abroad have proposed a variety of solutions, but the proposed solution is lacking in practicality and demodulation accuracy. The purpose of this project is to find a new method for temperature and strain decoupling in fiber grating detection, improve the detection accuracy of strain, simple structure and lower cost practical solution, which has important research significance and practical mechanism. .

The paper mainly uses the Optical Frequency Domain Reflectometer Optical Frequency Domain Reflectometer) technology combined with the polarization-maintaining fiber grating. By obtaining the incident light and the reflected light information of the two different modes of the fast and slow axis in the polarization-maintaining fiber, two centers can be obtained. The offset of the wavelength is used to solve the temperature sensitivity coefficient and the strain sensitivity coefficient. The advantage of this technical solution is that it can solve the problem of temperature-strain cross-sensitivity in distributed sensing while maintaining ultra-high spatial resolution, thereby realizing multi-parameter accurate demodulation of fully distributed high spatial resolution.

The calculation results show that the fast axis temperature sensitivity coefficient of the polarization-maintaining fiber grating used in this time is 0.010663333 nm/℃, the slow axis temperature sensitivity coefficient is 0.01070667 nm/℃, the fast axis strain sensitivity coefficient is 1.01892 nm/με, and the slow axis strain sensitivity coefficient is 1.01506 nm/με. The error between the temperature and the dependent variable obtained by the decoupling measurement of the scheme is below 5%, indicating that the scheme is feasible.Applying these sensitivity factors can measure the temperature and strain in a real environment to solve the cross-sensitivity problem of temperature and strain.

Key Words：Temperature/strain decoupling; dual wavelength method; Optical Frequency Domain Reflectometer; Polarization-maintaining fiber grating

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的与意义 1

1.2国内外研究现状 2

第2章 温度/应变解耦方法及寻峰算法研究 5

2.1 双波长矩阵法 5

2.2 双参量矩阵法 6

2.3 波长寻峰算法研究 8

2.3.1 高斯拟合算法 8

2.3.2 一般多项式拟合算法 8

2.3.3 质心算法 9

2.4 本章小结 9

第3章 OFDR测量通道与校准通道分析 10

3.1 OFDR传感系统原理 10

3.2 基于保偏光纤光栅的温度-应变同时检测原理 11

3.3 保偏光纤光栅传感检测原理 12

3.3.1 位置信息解调原理 13

3.3.2 波长信息解调原理 13

3.4 OFDR校准通道原理 14

3.5 本章小结 15

第4章 保偏光纤光栅温度/应变解耦实验研究 16

4.1 FBG光纤光栅刻写 16

4.1.1 光纤光栅的刻写光路 16

4.1.2 刻写的光栅光谱分析 18

4.2 实验数据采集与处理 18

4.4 实验结果与分析 21

4.5 温度/应变解耦验证 23

4.6 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

近几十年来，光学传感器引起了相当多的关注，因为它们拥有诸多远超机械和电气传感器的各种优势。在光学传感器中，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）更是具有显著的优势，因为FBG传感是通过波长信息进行的，即对波长信息调制，并且波长信号是一个绝对参数。此外，输出的波长编码也使得，通过分配每个传感器可用源光谱的不同切片来进行波分复用，变得很方便。

光纤布拉格光栅具有抗电磁干扰、传输距离远、灵敏度高、易组网、耐高温、耐低温、易于嵌入、探头尺寸小，容易与复合材料兼容等优点，近年来已广泛应用于航天，核工业，医疗等领域，尤为重要的一个应用是机械装备健康监测中的温度、应变等多物理参数的实时检测^[1]。

然而，FBG传感器往往不能单独监测出一种物理量的变化情况，这是因为FBG传感是利用波长信号解调出物理变量，当外界有两个或者两个及以上的物理量变化时，单个的波长信息无法解得同时变化的多个物理量，即光纤光栅传感器的波长信号中既包含了温度信息也包含了应变信息，如何将温度信息和应变信息分离开来是光纤光栅传感器技术中的一个关键问题。

FBG反射特定波长的光，该反射波长，称为布拉格波长，也就是中心波长，会因为温度变化或施加的应变量而发生变化。该布拉格波长偏移可用于测量温度，应变。然而，因为FBG传感器具有温度变化和应变之间的交叉敏感性，传感器不能在温度和应变均独立变化的条件下使用。

通常，由于光纤分布式应变传感器对应变和温度具有交叉敏感性，即波长信号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布拉格波长的改变，即存在着应变温度交叉敏感问题。

在实际应用中，同时测量不同温度场中应变和温度的结构健康状况是非常重要的。随着光学传感技术的需求增大，光纤光栅的温度应变交叉敏感问题成为瓶颈，交叉敏感给传感灵敏度带来限制，并且严重制约了光纤光栅传感器在实际中的应用，因此，解决交叉敏感问题具有十分重要的意义^[2]。

所以需要一些补偿温度差或区分应变和温度的技术以在实际应用中进行精确和稳定的测量。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、具有特殊性性能单光纤光栅法，取样啁啾法等进行解耦，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

先前大多数的解耦方法使用两个光纤光栅来实现温度和应力分离感测，即通过将标准/特殊光纤与布拉格光纤光栅相结合来补偿温度，但是该方法提高了解调成本和并且不太实用。近二十年，越来越多的学者提出更高精度，更加实用的解调方法。

国内外的学者们已经提出了许多使用单根光纤的应变和温度辨别技术。他们中的大多数在单根光纤中使用两种FBG，例如不同直径的包层中的两个FBG ，两种FBG在光纤中具有不同掺杂剂，两种FBG具有一种特殊封装和两个不同折射率分布的FBG 。此外，还有使用单个FBG的技术。

从1994年起，国外M G Xu，S E Kanellopoulos，Bhatia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^[3]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^[4]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稳定性的要求较高。

1997年，Sudo M^[5]等人利用单个双峰保偏光纤光栅，即熊猫光纤，第一次实现了温度与应变量的同时测量。