光纤光栅应变-温度传感器的原理及进展

光纤光栅应变-温度传感器是一种利用光纤光栅作为传感元件的测量设备，能够同时测量应变和温度的变化。这种传感器的工作原理基于布拉格光栅的传感特性，即FBG（光纤布喇格光栅）的中心反射波长会因为有效折射率和光栅周期的变化而发生移动。而这两个参数又受到应变和温度变化的影响。 在光纤光栅传感器的发展历程中，研究者们针对其交叉敏感性问题提出了一系列改进方法。交叉敏感性是指传感器对两个或多个物理量同时敏感，这在应变和温度同时存在时可能导致检测灵敏度的下降。为了解决这一问题，研究者提出了包括双重光纤光栅法、温度补偿法、不同直径光纤熔接法以及不同掺杂光栅法等方案。这些方法能够有效减少交叉敏感性，提高传感器的准确度。 在实际应用方面，光纤光栅应变-温度传感器能够被用于多个领域，包括民用建筑、航空航天、船舶、医学、生物学、化学、石油化工和核工业等。其抗电磁干扰、耐腐蚀、复用能力强和灵敏度高等优点，使其成为上述领域的研究热点。 在传感原理方面，FBG传感器通常以波长为编码，与传统传感器相比具有无法比拟的优势。因为光纤光栅与光纤的天然融合性，使得它们可以轻易地整合进时分复用/波分复用（TDM/WDM）传感网络，实现准分布式传感测量。然而，由于应变和温度对FBG的中心反射波长有着共同的影响，所以需要通过特定的传感模型来区分两者的影响。 在双参量传感实验方面，研究者们尝试了不同的实验设计以实现应变和温度的同时测量。例如，通过使用布拉格光栅的一、二级衍射光的对应变和温度不同的灵敏特性，可以实现同时测量应变和温度。2002年，T.Allsop等人采用了长周期光栅的一、二级衍射光来对应变和温度实现同时测量，他们通过线性回归分析法推导出一系列方程来表示测量到的一、二级衍射光波长变化与应变和温度之间的关系，从而计算出应变和温度的值。 此外，还有研究者通过长周期光栅（LPG）和FBG的混合型传感器实现了对应变和温度的同时测量。这种混合型传感器将LPG与FBG结合，通过分析LPG透射谱中的反射波长和FBG的反射波长，得到对应变和温度的测量结果。这种设计利用了长周期光栅和布拉格光栅在对特定物理量敏感性上的差异，提高了测量精度。 研究者们还在尝试使用不同的材料和制造工艺来提升传感器的性能。例如，使用掺硼和锗的单模阶跃光纤制成的长周期光纤光栅，可以实现对应变和温度更精确的测量。 随着技术的不断进步，光纤光栅应变-温度传感器的研究在传感原理、材料优化、数据处理方法以及应用领域等方面都取得了显著进展。未来的发展有望进一步提升这类传感器的性能，拓展其应用范围，并解决实际应用中遇到的技术难题。