单只光纤光栅阶呈现双反射峰实验方案设计

单只光纤光栅阶呈现双反射峰实验方案设计一实验背景光纤光栅传感器具有波长编码、波分复用、抗电磁等优点，集信息传输与传感于一体，在智能材料与结构等领域有着广阔的应用前景。光纤的主要成分是二氧化硅，易脆断，采取相应的功能化封装，既起到保护作用又具有参数补偿]、温度增敏、应力增敏等功能。单模均匀光纤光栅在实际应用中受到外界横向应力、弯曲应力等会产生力致双折射，使单反射峰分裂成双峰，导致光纤快、慢轴的应力灵敏度有所不同，对应力的精确测量造成影响。另一方面，预先设计的双反射峰（如图1所示）可以获知快、慢轴的灵敏度，可实现单支光纤光栅同时测量温度和应力参数，解决交叉敏感问题。图1.1光纤光栅双反射峰示意图二设计原理阶梯金属镀层保护的单模光纤光栅结构如图2.1所示，d1为裸光纤直径，d2为化学镀后直径，d3是再电镀后直径；L1为双镀层长度，L2为单镀层长度，L=L1+L2，L1=L2。αi、Ei、μi、ri(i=1,2,3)分别表示光纤、化学镀层和电镀层的线性热膨胀系数、弹性模量、泊松比、半径。根据保护层的热膨胀系数可将保护形式分为两种进行分析：保护形式(Ⅰ)热膨胀系数大的金属镀层在内，热膨胀系数小的在外；保护形式(Ⅱ)热膨胀系数小的金属镀层在内，热膨胀系数大的在外，并做如下假设：（1）光纤光栅不同位置之间没有温差效应，温度不随Z轴变化，温度变化0T；（2）光纤和镀层的热膨胀系数在测量温度范围内为常数；（3）温度载荷作用下，光纤和镀层之间，内外镀层之间始终结合紧密；（4）光纤材料的热光系数始终保持不变。图2.1阶梯金属镀层保护的光纤光栅示意图温度变化T时，阶梯镀层光纤光栅将产生热应力，引起热应变。光纤光栅的中心波长λB在温度和热应力引起的应变作用下的漂移ΔλB为：010()(1)eTZTp(1)式(1)中，ξ为光纤的热光常数，εＴＺ为镀层的约束产生的轴向热应变。2.1保护形式（Ⅰ）镀层和光纤光栅的热膨胀系数满足α1α3α2，假设阶梯镀层光纤光栅的双镀层端固定，单镀层端为自由端，可随温度的变化而自由膨胀，其热应变如图2.2所示。图2.2阶梯金属保护形式（Ⅰ）的光纤光栅热应变示意图2.1.1双镀层部分光纤光栅温度传感特性光纤光栅、内镀层和外镀层紧密结合，它们之间没有相对位移。当温度变化ΔT时，满足条件12111211122321131123113322zZZZzZZLLLLEELLLLEEAAA双双双双双双双(2)在式（2）中，iz双表示在1L(双镀层)段上第i层的轴向热应力。。。。。。。由此得出双镀层部分光纤光栅温度灵敏度的数学模型2.1.2单镀层部分光纤光栅温度传感特性光纤光栅和镀层紧密结合，它们之间没有相对位移。当温度变化ΔT时，满足条件α1∆𝑇L1－𝜎1𝑧𝐸1L1=α2∆𝑇L2+𝜎2𝑧𝐸2L2和𝜎1𝑧𝐴1=𝜎2𝑧𝐴2由此得出单镀层部分光纤光栅温度灵敏度的数学模型三设计方案1.在所做过的Ni-Cu阶梯镀层保护光纤光栅温度特性实验中，画出的实验拟合图如下:得出双反射峰的2个不同温度灵敏度:波长为λB1的Cu的温度灵敏度为19.0pm/℃波长为λB2的Ni的温度灵敏度为11.14pm/℃2.双镀层部分设计方案金属化保护后FBG温度特性（忽略径向压应力作用）光纤光栅受轴向压应力作用时1542.3031542.5161542.7141542.9011543.0831543.2531546.0711546.1891546.3041546.4181546.5181546.62815401541154215431544154515461547304050607080阶梯镀Ni-Cu波长随温度变化波长λB1/nm波长λB2/nm①按保护方式（Ⅰ），选取内镀层Cu和外镀层Ni为镀层材料，如上图所示，设Ni层长为L1，Cu层长为L，光纤半径为r1，Cu层厚度为r2，Ni层厚度为r3。以温度变化∆T0为例。在轴向上，Ni-Cu双金属镀层的FBG可简化为三根长度材料不同的棒粘接在一起，因为Ni层和Cu层之间以及Cu层和FBG之间没有相对滑移,满足以下条件：α2∆𝑇L－𝜎2𝑧𝐸2L=α1∆𝑇L+𝜎1𝑧𝐸1Lα2∆𝑇L－𝜎2𝑧𝐸2L=α3∆𝑇L1+𝜎3𝑧𝐸3L1𝜎1𝑧𝐴1+𝜎3𝑧𝐴3=𝜎2𝑧𝐴2(Ai(i=1，2，3)是第i层的横截面积)联立以上三式可得由轴向热应力引起的FBG轴向应变（忽略由轴向热应力引起的FBG径向应变）𝜀1𝑧=𝐾1∆𝑇其中，𝐾1定义为轴向热应力系数，𝐾1=(𝛼2−𝛼1)𝐸2𝐿1(𝑟22−𝑟12)−(𝛼1𝐿−𝛼3𝐿1)𝐸3(𝑟32−𝑟22)𝐸1𝐿1𝑟12+𝐸2𝐿1(𝑟22−𝑟12)+𝐸3𝐿(𝑟32−𝑟22)Ni-Cu双金属阶梯镀层FBG的热应变为𝜀𝑧=𝐾1∆𝑇综上推导出温度传感模型∆𝜆𝐵=[(𝛼+𝜉)Δ𝑇+(1+𝑃12)𝜀𝑍]𝜆𝐵=(𝐾𝑇+𝑆𝑍)𝜆𝐵∆𝑇=𝐾𝑚𝑇𝜆𝐵∆𝑇其中𝐾𝑇=(𝛼+𝜉)Δ𝑇，𝑆𝑍=(1+𝑃12)𝐾1②按保护方式（Ⅱ），选取内镀层Ni和外镀层Cu为镀层材料，如上图所示，设Cu层长为L1，Ni层长为L，光纤半径为r1，Ni层厚度为r2，Cu层厚度为r3。以温度变化∆T0为例。在轴向上，Cu-Ni双金属镀层的FBG可简化为三根长度材料不同的棒粘接在一起，因为Cu层和Ni层之间以及Ni层和FBG之间没有相对滑移,满足以下条件：α2∆𝑇L－𝜎2𝑧𝐸2L=α1∆𝑇L+𝜎1𝑧𝐸1Lα2∆𝑇L+𝜎2𝑧𝐸2L=α3∆𝑇L1－𝜎3𝑧𝐸3L1𝜎1𝑧𝐴1+𝜎2𝑧𝐴2=𝜎3𝑧𝐴3(Ai(i=1，2，3)是第i层的横截面积)联立以上三式可得由轴向热应力引起的FBG轴向应变（忽略由轴向热应力引起的FBG径向应变）𝜀1𝑧=𝐾2∆𝑇其中，𝐾2定义为轴向热应力系数，𝐾2=(𝛼3𝐿1−𝛼1𝐿)𝐸3(𝑟32−𝑟22)−(𝛼2−𝛼1)𝐸2𝐿1(𝑟22−𝑟12)𝐸1𝐿1𝑟12+𝐸3𝐿(𝑟32−𝑟22)−𝐸2𝐿1(𝑟22−𝑟12)Ni-Cu双金属阶梯镀层FBG的热应变为𝜀𝑧=𝐾2∆𝑇综上推导出温度传感模型∆𝜆𝐵=[(𝛼+𝜉)Δ𝑇+(1+𝑃12)𝜀𝑍]𝜆𝐵=(𝐾𝑇+𝑆𝑍)𝜆𝐵∆𝑇=𝐾𝑚𝑇𝜆𝐵∆𝑇其中𝐾𝑇=(𝛼+𝜉)Δ𝑇，𝑆𝑍=(1+𝑃12)𝐾23.单镀层部分设计方案选取镀层Cu为镀层材料如上图所示，设Cu层长为L2，光纤长为L1，光纤半径为r1，Cu层厚度为r2。以温度变化∆T0为例。在轴向上，Cu金属镀层的FBG可简化为两根长度材料不同的棒粘接在一起，因为Cu层和FBG之间没有相对滑移,满足以下条件：α1∆𝑇L1+𝜎1𝑧𝐸1L1=α2∆𝑇L2－𝜎2𝑧𝐸2L2和𝜎1𝑧𝐴1=𝜎2𝑧𝐴2联立以上二式可得由轴向热应力引起的FBG轴向应变（忽略由轴向热应力引起的FBG径向应变）𝜀1𝑧=𝐾3∆𝑇其中，𝐾3定义为轴向热应力系数，𝐾3=(𝛼2𝐿2−𝛼1𝐿1)𝐸2(𝑟22−𝑟12)𝐸1𝐿2𝑟12+𝐸2𝐿1(𝑟22−𝑟12)Ni-Cu双金属阶梯镀层FBG的热应变为𝜀𝑧=𝐾3∆𝑇综上推导出温度传感模型∆𝜆𝐵=[(𝛼+𝜉)Δ𝑇+(1+𝑃12)𝜀𝑍]𝜆𝐵=(𝐾𝑇+𝑆𝑍)𝜆𝐵∆𝑇=𝐾𝑚𝑇𝜆𝐵∆𝑇其中𝐾𝑇=(𝛼+𝜉)Δ𝑇，𝑆𝑍=(1+𝑃12)𝐾3四方案分析KT是裸FBG的温度灵敏度系数,Sz是Ni-Cu双金属镀层FBG的轴向热应变系数，Sr是Ni-Cu双金属镀层FBG的径向热应变系数，KmT=ST+Sz是Ni-Cu双金属镀层FBG的模型温度灵敏度系数。从温度传感模型表达式式可以看出,KmT是镀层和光纤材料性能的函数，与温度变化无关。Ni-Cu双金属镀层FBG波长变化与温度变化之间仍呈线性关系。只要Szr0,Ni-Cu双金属镀层就能起到温度增敏的作用。对于具有相同厚度的金属镀层FBG，当它们的温度灵敏度系数趋于常数时，其温度灵敏度系数的关系是：Cu-NiCuNi-Cu≈Ni。因此，只要在克服镀铜层在空气中易被氧化腐蚀的弱点，Cu层在外Ni层在内的双金属镀层对FBG温度增敏作用更优。热膨胀系数越大的金属对提高FBG温度灵敏性的作用越大。对于双金属镀层，内外镀层的组合以及它们各自的厚度对FBG温度灵敏性有着重要的影响。提高FBG的温度传感灵敏性不仅要考虑温度灵敏度系数，还要结合镀层温度增敏效率这个因素。从理论分析的结果来看，Cu层在外Ni层在内的双金属镀层，无论从温度传感灵敏度系数还是温度传感效率方面，都优于其它类型的金属镀层。