摘 要

在结构健康监测领域中，常常需要监测温度/应力双参量的外界环境变化，且对精度和解调速度都提出了很高的要求。光纤法布里-珀罗（Fabry–Pérot, FP）与光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）和其他的光纤传感器相比，具有特殊的传感结构，在稳定性、耐受恶劣环境、结构尺寸等方面具有很大优势。在实际应用中，常利用单个FBG的不同特征的变化量或多个不同的FBG组成传感器来实现多参量解调。本文在充分借鉴前人工作成果的基础上，提出基于FBG-FP复合型光栅传感器结构，在稳定环境下测出复合型传感器的温度/应力灵敏度，通过解耦算法解调求出所处环境的温度与所受应力，经实验验证相对误差合格。

关键词：FBG-FP复合型传感器；温度；应力；解耦

Abstract

In the field of structural health monitoring, it is often necessary to monitor the external environment changes with dual parameters of temperature / stress, and high requirements are placed on accuracy and demodulation speed. Compared with fiber Bragg Grating (FBG) and other fiber sensors, fiber Fabry-Pérot (FP) has a special sensing structure, which is stable, resistant to harsh environments and structural dimensions. It has great advantages in other aspects. In practical applications, sensors with varying characteristics of a single FBG or multiple different FBGs are often used to implement multi-parameter demodulation. Based on the results of previous work, this paper proposes a FBG-FP composite grating sensor structure, which measures the temperature / stress sensitivity of the composite sensor under a stable environment, and demodulates the decoupling algorithm to find the environment The accuracy of temperature and stress is acceptable.

Keywords: FBG-FP compound sensor；temperature；strain；decoupled

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 温度/应力复合光纤传感器的发展 2

1.3 研究的主要内容和论文结构 3

第2章 复合型传感器结构及传感原理 4

2.1 FBG光栅结构与传感原理 4

2.1.1 FBG光栅结构 4

2.1.2 FBG温度/应力传感原理 4

2.2 FP腔结构与传感原理 6

2.2.1 FP腔的结构 6

2.2.2 FP腔温度/应力传感原理 7

2.3 复合型光纤传感器传感机理分析 8

2.3.1 复合型光纤传感器反射光谱原理研究 8

2.3.2 复合型光纤传感器反射光谱仿真 9

2.4 本章小结 11

第3章 复合型传感器解耦、解调方法研究 12

3.1 复合型传感器解耦方法研究 12

3.2 复合型传感器解调算法研究 13

3.2.1 复合型传感器中心波长解调方法 13

3.2.2 复合型传感器腔长解调方法 14

3.3 本章小结 15

第4章 温度/应力灵敏度标定实验及解耦验证 16

4.1 制作过程简要说明 16

4.2 复合型传感器温度实验 17

4.3 复合型传感器应变实验 18

4.4 复合传感器的温度/应力解耦实验验证 19

4.5 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1 全文工作总结 21

5.2 下一步工作展望 21

参考文献 22

致谢 24

绪论

研究背景与意义

在工程项目实际应用中，许多结构的设计寿命可达几十年，但是如人为破坏、温度和湿度条件极端等因素常常会带来严重后果，因此对工程结构进行实时的温度/应变监测，掌握环境变化动态，对预先报警，减少不必要损失，保障器件的稳定运行具有重要^[1]。在过去的30年中，光纤领域发展迅速，光纤传感器领域也不例外。由于光纤光栅传感器的温度和应变的交叉敏感性，使用FBG传感器来测量工程结构中的温度和应变成为一个难题^[2,,3]。

针对这一问题，人们提出了许多可用于同时区分温度和应变两个参数的复合型光纤传感器组合，如同传感器不同灵敏度矩阵法^[4]，其基本思路是利用不同的FBG的反射中心波长都对环境中的温度变化和应力变化敏感且灵敏度差别较大的特性；又如同传感器不同参量矩阵法，其基本思路是对光纤传感器的两个参量进行解调，比如FBG反射光谱的中心波长漂移与主旁瓣边缘时延变化方案，但由于此方案对光谱精度要求极高，并不具有普遍适用性^[5]。

综上所述，目前急需一种能够比较简便地解决温度/应力解耦的传感器方案。基于FBG-FP的复合型光纤传感器灵敏差值相对来说较大，被测的温度和应变测量精准。据此，本文设计了一种复合型光纤传感器，其由FBG和FP级联构成，组成的复合型光纤传感器不仅可以测量被测物体的温度还可以测量被测物体的应变，因为FBG和FP都可以复用，通过监测FP传感器的腔长变化以及FBG的中心波长变化可以同时检测被测物体的温度和应变，大大提高了光纤传感器的实际应用能力^[6]。

本文提出基于FBG-FP复合型光栅传感器结构，在稳定环境下测出复合型传感器的温度/应力灵敏度，且可以通过解耦算法解调求出所处环境的温度与所受应力。

国内外研究现状

光纤传感器发展迅速，类型很多。通常，它们可以从多种角度进行分类：从传感机制的角度来看，它们可以分为传感类型和透光类型。对于前者，光纤传感器设备本身是通过外部因素（例如温度、压力、电流等）的变化调制的，从而使光波的相位、波长或偏振态处于变化。检测变化可以得到观测得到外部物理量的变化。对于后者，透光光纤传感器中的光纤不是敏感设备，但是它可以通过其他敏感组件来感知外界的物理变化。光纤仅用于光传输^[7]。

近几十年来，光纤传感器以其高灵敏度，高分辨率，小尺寸，耐高温和抗电磁干扰等优点而受到了世界各地学者的广泛关注。人们不断寻求新的结构和新的解调方法，以达到既降低应用阈值又提高准确性的目的，对工业应用的需求推动了FBG-FP传感技术的快速发展。

温度/应力复合光纤传感器的发展

与光纤传感器的前期发展相比，进入21世纪后，除了继续探索新的传感机制外，研究人员还将研究重点放在了提高性能上。