电子#激光

第22卷第1期 2011年1月 JournalofOptoelectronics#Laser

Vol.22No.1 Jan.2011

基于光纤光栅的温度不敏感的倾斜传感器

倪 凯,吴立枢,金永兴

(中国计量学院光电子技术研究所,浙江杭州310018)

摘要:提出了一种新型光纤Bragg光栅(FBG)的倾斜传感器,其结构由通过4根等长的刻有光栅的光纤悬挂在圆盘上的重物组成,4根光纤与圆盘的粘接点均匀分布在圆盘边缘,每根光纤的另一端共同下拉一重物,使每根FBG的受力均匀。当整个平台倾斜时,每根FBG的受力发生变化,从而导致每根FBG的反射(透射)中心波长发生变化,并通过光谱仪测出波长的变化,从中得到每两根对称FBG在不同倾斜角下的波长差,建立相应的波长差与倾斜角的数学模型。实验表明:该倾斜传感器可以达到0.2b的测量精度,并且消除了外界环境温度的影响,应用灵活性高;而且传感器的准确度和精度可通过增加重物质量、减小每对光纤间的夹角来提高。关键词:光纤Bragg光栅(FBG);光纤传感器;温度不敏感;倾斜度测量中图分类号:TN29 文献标识码:A 文章编号:1005-0086(2011)01-0027-03

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Temperature-insensitivefiberBragggratingtiltsensor

NIKai*,WUL-ishu,JINYong-xing

(InstituteofOptoelectronicTechnology,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

Abstract:AnewdesignofFBGtiltsensorwaspresentedinthispaperwhichstructureissimpleandsta-ble,anditsaccuracywasrelativelyhigh.Thetiltsensorstructureconsistsoffourfibergratinghangingtheweightontheroundplate,four-fiberbondingpointswithuniformdistributionoftheroundplateontheroundplateedge,theotherendofthefibergratinghangstheweight,sothattheforceinducedintheeachfibergratinguniformly.Whentheplatformistilted,theforceinducedintheeachfibergratingchan-ges,whichleadstothereflective(transmission)centerwavelengthofeachfibergratingchanges.ThroughtheOSA(opticalspectrumanalyzer)tomeasurethewavelengthchanges,sotheeverytwosym-metricalgratingscwavelengthdifferenceatdifferenttiltangles,toestablishtheappropriatewavelengthdifferenceandthetiltangleofthemathematicalmodel.Experimentresultsshowthatcanreachthetiltsensormeasurementaccuracyto0.2btheimpactofenvironmentaltemperatureiseliminatedapplicationflexibilityishigh.Andthetiltsensoraccuracyandprecisionofqualitycanbeimprovedbyincreasingtheweightandreducetheanglebetweeneachpairofopticalfiber.Keywords:fiberBragggratings(FBGs);fiber-opticsensors;temperature-insensitive;tiltmeasurement

1 引 言

光纤Bragg光栅(FBG)作为传感器已被广泛应用于温度、

[1~3][4,5][6][7][8]

应变、压力、拉力,加速度和倾斜角度的测量。随着检测手段不断发展,除了常规的温度、压力和加速度等物理量的测量外,越来越多的场合需要测量物体的倾斜状态,这就需要倾斜传感器来检测[9]。倾斜传感器用于测量一个对象相对于参考面或基准线的角偏转,经常应用于航空领域(如监测飞机着陆)和土木工程领域(如监测塔和桥梁支架的倾斜)。本文设计了一种新型的光纤Bragg光栅(FBG)倾斜传感器,结构简单、稳定,具有高的测量准确度。初步的实验结果证实了设计的可行性,测量结果也体现出传感器的高精度和准确度。

2 原 理

设计的倾斜传感器的结构如图1所示,圆盘边缘分别挂4根对称的FBG,中心位置挂一重物,重物的位置通过4根光纤保持平衡。因此,所有4根光纤有同样的应变E和FBG反射波长K装置处于初始位置时,4根光纤i=1,2,3,4。在没有发生倾斜、

的应力是相同的,每一对具有对称位置的FBG可以感知它们所属平面的倾斜,且没有交叉敏感性。

一旦发生倾斜,4根光纤的受力和应变将发生改变。如果假设一倾斜度A出现在x-y平面,另一倾斜度B出现在y-z平面,对于重物的受力平衡方程为

-SE(E+$E)-mgsinA=0(1) SE(EE0+$3)01ll

*E-mail:nk2004@cjlu.edu.cn

收稿日期:2010-12-10 修订日期:2010--6-30(