光纤光栅应变传感器温度补偿计算值的改进

光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一 光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二 光纤光栅传感器增敏与封装 (3)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (4)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (5)5 粘敷式敏化与封装 (7)三 光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG 与LPFG 混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一 光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。

当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。

由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。

FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。

光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。

假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

光纤光栅温度补偿技术研究摘要:光纤光栅同时敏感温度和应变。

因此,在测量与应变相关的物理量时,需要补偿温度的影响。

本文综述目前用于温度补偿的算法。

这些算法包括需要建立输入输出解析表达式的回归分析法和不需要建立解析表达式的机器学习法。

这些方法都可以实现温度补偿,但是,相比之下,机器学习法更为灵活,方便,在光纤传感领域具有一定的应用前景。

关键词:光纤光栅温度补偿传感器机器学习法光纤光栅是一种新型光无源器件,具有体积小、本征防爆、抗电磁干扰、易于复用、耐高温及耐腐蚀等优点,受到研究人员极大的关注。

光纤光栅同时敏感温度和应变。

当测量与应变相关的被测量时,就需要补偿温度影响。

如何补偿温度的影响一直是科研人员潜心研究的问题。

1 光纤光栅传感原理根据光纤光栅的耦合模理论,均匀非闪耀光纤光栅可将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射波,反射波峰值波长随应变和温度的偏移量为:从式(1)可以看出,温度和应变都会影响光纤光栅的波长偏移,因此,若测量与应变有关的物理量,就需要补偿温度的响应。

如何补偿温度是科研人员潜心研究的问题。

2 温度补偿方法目前,温度补偿方法分为两类:硬件补偿法,即根据弹性元件自身的特点,测量光纤光栅反射波峰值波长差或反射波带宽消除温度的影响;模型法,即通过监测温度信号,建立输入输出模型进行温度补偿。

2.1 硬件补偿法2.1.1 测量峰值波长差将两个相同光纤光栅布置在梁上下表面相同的位置,形成差动结构,测量两个光纤光栅峰值波长的差;或者将一根光栅分成两部分,一部分处于自由状态,敏感温度,另一部分利用聚合物结构封装起来或粘贴在弹性元件上,敏感温度和应力,通过测量两部分光纤光栅的峰值波长差消除温度的影响。

2.1.2 测量带宽在任意温度下,只要光纤光栅整体的温度保持一致,则光纤光栅各点因温度而引起的变化就是相同的,即环境温度仅对光纤光栅反射波长有影响,不影响带宽。

根据这一原则,将光纤光栅斜向粘在等腰三角形梁的侧面[3]等。

《光纤光栅温度应变解调仪研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，光纤光栅（FBG）技术在众多领域中得到了广泛的应用。

作为一种新兴的传感器技术，光纤光栅能够实现对温度和应变的精确测量，具有高灵敏度、高分辨率和抗电磁干扰等优点。

光纤光栅温度应变解调仪作为光纤光栅技术的核心设备，其性能的优劣直接影响到光纤光栅测量系统的准确性。

因此，对光纤光栅温度应变解调仪的研究具有重要意义。

二、光纤光栅基本原理及特性光纤光栅是通过在光纤内部形成周期性的折射率变化来实现对光信号的调制。

当光在光纤光栅中传播时，会与光纤中的周期性结构发生相互作用，产生特定的光谱响应。

光纤光栅对温度和应变非常敏感，能够通过测量光谱的漂移来推算出温度和应变的值。

三、解调仪的构成及工作原理光纤光栅温度应变解调仪主要由光源、光纤环路、光电检测器以及解调电路等部分组成。

光源发出宽带光，经由光纤环路传输至光纤光栅，反射后形成的光信号再经由光电检测器转换为电信号，最后通过解调电路将电信号转换为温度和应变的数值。

四、解调仪的关键技术及研究进展1. 解调技术：光纤光栅的解调技术是影响其性能的关键因素。

目前常用的解调技术包括光谱分析法和干涉法等。

这些技术具有高灵敏度、高分辨率和快速响应等特点，为提高解调仪的测量精度提供了保障。

2. 信号处理：解调仪中的信号处理技术对于提高测量精度和稳定性至关重要。

通过对信号进行滤波、放大和数字化处理，可以有效地消除噪声干扰，提高信噪比。

3. 温度补偿：为了消除温度对测量结果的影响，解调仪通常采用温度补偿技术。

通过在系统中引入温度传感器或采用自校准算法等手段，可以实现对温度的精确补偿，提高测量结果的准确性。

五、应用及发展趋势光纤光栅温度应变解调仪在众多领域中得到了广泛的应用，如桥梁健康监测、石油化工、航空航天等。

随着科技的不断发展，解调仪的性能将不断提高，应用领域也将进一步拓展。

未来，光纤光栅技术将与人工智能、物联网等技术相结合，实现更加智能化的监测和控制系统。

光纤光栅应变传感器实测状态下温度补偿值修正方式
在光纤光栅应变传感器实测状态下，温度补偿值可以通过以下方式进行修正：
1. 温度校准：在实测状态下，将传感器暴露在不同温度下，并记录相应的传感器输出值。

通过比较不同温度下的输出值和已知温度的差异，可以建立温度校准曲线。

根据温度校准曲线，可以将实际测量得到的传感器输出值与温度之间建立关联，从而实现温度补偿。

2. 温度补偿算法：基于已有的温度校准曲线，可以开发相应的温度补偿算法。

通过输入实际测量得到的传感器输出值和当前温度，温度补偿算法可以对输出值进行修正，以消除温度对传感器测量的影响。

3. 温度传感器组合：将光栅应变传感器与温度传感器组合在一起，通过同时测量光栅应变和温度，可以实时获取温度信息。

温度传感器的输出值可以作为温度补偿值，用于修正光栅应变传感器的输出值。

需要注意的是，光纤光栅应变传感器在实测状态下的温度补偿值修正方式，可能因具体应用场景和传感器类型而有所不同。

上述提到的方法仅为一般性的参考，具体的温度补偿值修正方式需要根据实际情况进行选择和实施。

FBG传感器测值误差分析及改进方法研究张俊杰;杨双龙;梅星;张忠举【摘要】FBG传感器是一种常见的光纤光栅传感器,且具备不受电磁干扰、信号传输距离长等优点,但受限于测量仪器、观测者的技术水平和外界环境等因素,FBG传感器的测值总会存在误差.结合FBG传感器在国内某长引水隧道中的应用实例,列举分析了不同FBG解调仪、环境温度和零点漂移对FBG传感器测值结果造成的误差,并从FBG解调仪的选用、FBG传感器温度补偿技术和FBG传感器封装技术出发,针对性地提出了修正改进方法,以提高FBG传感器在实际工程应用中的测值准确度.%FBG sensor is a common fiber grating sensor and characterized as electromagnetic interference-free, long signal transmission distance,etc. But limited by measuring instruments, observer technical level, the external environment and other factors,FBG sensor measurement will always have errors. Based on the practical application of FBG sensor in a long water diver-sion tunnel in China, this paper analyzes the measurement errors caused by FBG demodulator, ambient temperature and zero drift,and a series of improved methods are put forward from the FBG demodulator selection,FBG sensor temperature compensa-tion technology and FBG sensor packaging technology to improve the accuracy of FBG sensor in practical engineering application.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2018(049)005【总页数】5页(P100-104)【关键词】FBG传感器;测值误差;引水隧道;安全监测【作者】张俊杰;杨双龙;梅星;张忠举【作者单位】水利部水文水资源监控工程技术研究中心,江苏南京210012;水利部南京水利水文自动化研究所,江苏南京210012;辽宁省水资源管理集团有限责任公司,辽宁沈阳110000;水利部水文水资源监控工程技术研究中心,江苏南京210012;水利部南京水利水文自动化研究所,江苏南京210012;水利部水文水资源监控工程技术研究中心,江苏南京210012;水利部南京水利水文自动化研究所,江苏南京210012【正文语种】中文光纤光栅仪器是一种新型传感器，与传统的差动电阻式、振弦式仪器相比，具有不受电磁干扰、信号传输距离长、耐腐蚀性强、动态响应快、灵敏度高等优点[1-2]。

光纤光栅应变传感器的温度补偿及其工程应用闫维明;王进;陈彦江;杨小森【摘要】在使用光纤光栅应变传感器对结构应变进行监测的过程中,为了解决光纤光栅的中心波长对温度与应变交叉敏感的问题,从光纤光栅传感器的微观结构及其工作时与混凝土的相互作用机理出发,给出了利用光栅温度传感器对光栅应变传感器进行点对点温度补偿的方法,通过对应变传感器测得的数据进行修正,来获得由荷载引起的结构真实应变值.利用实际工程中的测量数据对该方法进行了验证,得到了较为理想的效果.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷),期】2010(000)004【总页数】3页(P65-67)【关键词】光纤光栅;中心波长;温度补偿;应变传感【作者】闫维明;王进;陈彦江;杨小森【作者单位】北京工业大学建筑工程学院,北京,100124;北京工业大学建筑工程学院,北京,100124;北京工业大学建筑工程学院,北京,100124;北京工业大学建筑工程学院,北京,100124【正文语种】中文【中图分类】U-441+.51 概述光纤光栅传感器的传感原理[1]是：当光纤光栅周围的应变、温度或其他待测物理量发生变化时,将会引起纤芯折射率或光栅周期发生变化,进而引起光纤光栅的中心波长产生变化,通过对光栅中心波长变化量的测量,即可间接获得待测物理量的变化情况。

光纤光栅传感器具有很多优点[2～4]，如体积小、质量轻、可靠性、稳定性好、精度高、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温等,并且粘贴或埋入到结构中不会对其性能造成明显影响,因此广泛应用于工程结构的应变、温度等物理量的监测或检测中。

但在对实际结构的监测之中,由于光纤光栅的中心波长对温度与应变均敏感[5],自身无法区分温度和应变分别引起的波长变化,从而导致了温度和应变的交叉敏感问题。

所以,在进行结构的应变监测时,如何在测量数据中消除温度影响,获得由荷载引起的结构真实应变值,是非常必要的。

从传感器的微观结构及其与混凝土的作用机理出发,提出了一种对光栅传感器的测量结果进行温度补偿的算法,并应用于实际工程之中。

3本项目为河北省自然科学基金资助项目(E200400417)光纤B ragg 光栅应变传感中的温度补偿技术3张戌社 宁辰校(河北科技大学机械电子工程学院,石家庄050054)摘　要　本文对光纤光栅传感中的应变和温度交叉敏感问题进行了讨论,在此基础上提出了采用参考光栅实现光纤光栅应变传感时的温度补偿的基本原理和方法,并通过实验进行了验证。

理论和实验均证明,本文提出的参考光栅温度补偿法原理简单,而且补偿效果好。

关键词　光纤FB G 光栅;温度和应变传感;交叉敏感0　引言光纤布拉格光栅FB G (Fiber Bragg Grating )传感器,比传统的通过光纤本身形变传感的光纤传感器的传感精度有了很大的提高,具有许多其它传感元件无法比拟的优点[1,2]。

但是,由于光纤光栅对温度与应变同时敏感,使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分,这种交叉敏感效应严重影响着光纤光栅在传感领域的应用。

近年来,国内外学者提出了很多解决温度和应力交叉敏感的方案,并取得了一定的成果[3,4]。

本文采用一种简单易行、成本低廉的温度补偿方法,即利用参考光纤光栅对传感光栅进行补偿,使光纤光栅应变传感达到实用化要求。

1　温度补偿原理由耦合模理论可知,当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时,将产生模式耦合,满足布喇格条件式(1)的一个窄带光谱将被反射回来[1-3]λb =2n ef f Λ(1)式中,n ef f 为导模的有效折射率;Λ为光机周期。

由光纤光栅传感原理可知,FB G 波长受温度和应变的双重影响,当FB G 传感器受应变或温度发生改变时,光栅中心反射波长都会产生相应的移动。

当作用Bragg 光栅上的温度、应变同时改变时,将式(1)展开并忽略高次项可得Δλb =(1-P )ε+(α+ξ)ΔT (2)此时,单个光栅无法确定波长的移动由什么参量的改变引起,更无法确定参量的改变量大小。

这就是温度与应变的交叉敏感问题,它直接关系到测试结果的准确性。

光纤光栅温度补偿算法光纤光栅温度补偿算法主要是为了解决光纤光栅在温度变化时发生的温度漂移问题，温度漂移会导致光纤光栅的测量数据出现偏差，影响测量的准确性。

本文将对光纤光栅温度补偿算法进行详细介绍，包括算法原理、实现方法以及应用场景等。

1. 算法原理光纤光栅是一种能够对光波长度和形态进行实时监测的光学传感器，其运用了光波在光纤中的反射特性，能够通过对反射光信号的探测来获取光纤中的温度、应力等信息。

然而，随着温度的变化，光纤光栅的结构和物理性质会相应地发生变化，会导致光栅光谱的漂移，进而影响光栅的测量精度。

光纤光栅温度补偿算法的基本原理是建立一个光栅光谱漂移的模型，将光栅温度和漂移之间的关系建立起来，然后应用模型来对光栅的实时光谱进行补偿。

具体地，该算法会通过实时监测光纤光栅的温度变化，确定其对光栅光谱的影响，从而对光栅光谱进行实时纠正，在一定程度上能够减少光栅光谱的漂移，提高测量的准确性。

2. 实现方法光纤光栅温度补偿算法的实现方法可以分为两种，一种是基于数学模型的方法，一种是基于神经网络的方法。

其中，光栅光谱漂移与温度变化之间的关系通常采用温度敏感光纤光栅来实现。

温度敏感光纤光栅会随着温度的变化而发生形变，形变又会引起光纤光栅的反射光谱漂移，因此可以利用温度敏感光纤光栅的反射光谱来建立光栅光谱漂移与温度变化之间的关系。

2.2 基于神经网络的方法基于神经网络的光纤光栅温度补偿算法较为简单，通常使用BP神经网络或RBF神经网络。

该算法需要准备一批有标签的数据进行神经网络的训练，然后将训练好的神经网络应用于实时光栅光谱的预测和补偿。

具体地，该算法会将光栅温度作为神经网络的输入，将光栅光谱漂移作为神经网络的输出，然后通过不断调整神经网络的权值和阈值，最终获得准确的光栅光谱补偿结果。

与基于数学模型的方法相比，基于神经网络的方法更为灵活，常常适用于光纤光栅测量中的复杂场景。

3. 应用场景光纤光栅温度补偿算法适用于需要测量光纤光栅温度变化的场景，包括工厂生产中的温度测量、船舶结构监测、天然气输送管道的温度监测等场景。

光纤光栅传感器温度和应变交叉敏感问题解决方案光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅原理的传感器，可用于测量温度和应变。

然而，光纤光栅传感器的温度和应变测量存在交叉敏感问题，即测量温度时会受到应变的影响，测量应变时会受到温度的影响。

为了解决该问题，可以采取以下方案。

1.使用多个光纤光栅传感器：首先，在测量温度和应变时使用独立的光纤光栅传感器。

这样可以避免不同物理量之间的相互干扰。

温度和应变分别使用不同的光纤光栅传感器进行测量，通过合理的连接和布置，可以实现分离的测量。

2.信号处理和补偿算法：其次，在测量结果的处理方面，可以采用信号处理和补偿算法来消除温度和应变交叉敏感引起的误差。

通过记录并分析光纤光栅传感器的输出信号，可以建立温度和应变之间的关系模型，并通过补偿算法来减少误差。

这样可以在一定程度上提高测量的准确性。

3.光纤光栅材料和结构设计：此外，还可以通过优化光纤光栅的材料和结构设计来减小温度和应变交叉敏感的影响。

选择合适的光纤材料，具有低热膨胀系数和低线性应变敏感性，可以减少温度和应变对光纤的影响。

同时，合理设计光纤光栅的结构，如改变光纤直径、长度、光栅周期等参数，可以提高传感器的灵敏度和稳定性。

4.传感器的预热和稳定时间：在实际使用中，还应给传感器留出足够的预热和稳定时间。

由于温度和应变的变化通常不是瞬时的，给传感器足够的时间响应和稳定可以减小交叉敏感的影响。

通过控制预热和稳定时间，可以提高传感器的准确性和可靠性。

综上所述，光纤光栅传感器温度和应变交叉敏感问题的解决方案包括使用多个光纤光栅传感器、信号处理和补偿算法、优化材料和结构设计以及控制预热和稳定时间。

通过采用这些方案，可以提高测量的准确性和可靠性，从而满足实际应用需求。

光纤bragg光栅应变、温度交叉敏感问题解决方案光纤Bragg光栅是一种利用光纤中的布拉格衍射效应来实现应变和温度测量的传感器。

然而，在实际应用中，由于光纤Bragg光栅的应变和温度交叉敏感问题，常常导致测量结果的不准确和误判。

为了解决这一问题，人们不断进行研究和探索，提出了一系列的解决方案。

本文将介绍几种常见的解决方案，并对其优缺点进行评述。

一、优化光纤布拉格光栅传感器的设计传统的光纤Bragg光栅传感器通常采用单螺旋式布置的光纤，使得光纤在应变和温度作用下出现交叉响应。

为了解决这一问题，一种常见的解决方案是使用双螺旋式布置的光纤，通过对两个光栅信号进行差分处理，消除应变和温度的交叉响应。

这种方案可以有效提高测量的精度和准确性，但由于需要增加光纤的布置和信号处理的复杂性，成本较高。

二、引入额外的温度补偿方法另一种常见的解决方案是引入额外的温度补偿方法，通过对温度进行实时测量，并将测得的温度值作为修正因子，减小温度对应变测量的影响。

例如，可以通过在光纤附近布置温度传感器，并将其与光纤Bragg光栅传感器的测量信号进行比较，从而得到温度修正因子。

这种方法可以在一定程度上消除温度的交叉响应，提高应变测量的准确性，但需要增加额外的传感器和信号处理的复杂度。

三、采用多路光纤布拉格光栅传感器系统为了解决光纤Bragg光栅传感器应变和温度交叉敏感问题，人们提出了采用多路光纤布拉格光栅传感器系统的方案。

具体来说，可以在同一根光纤上布置多个Bragg光栅，每个Bragg光栅对应不同的应变或温度区域。

通过对这些光栅信号的测量和分析，可以得到更准确的应变和温度信息。

这种方案可以有效解决应变和温度交叉敏感问题，提高测量的精度和准确性。

然而，由于需要对多路光栅信号进行同时处理和分析，对信号处理的要求较高。

四、基于信号处理算法的解决方案为了进一步提高光纤Bragg光栅传感器的测量精度和准确性，研究者们开始探索基于信号处理算法的解决方案。

基于神经网络的光纤光栅压力传感器的温度补偿
徐伟;张帅;王克家
【期刊名称】《应用科技》
【年(卷),期】2009(036)012
【摘要】针对光纤光栅自身对温度和应变的交叉敏感性,以及光纤光栅压力传感器的输出受环境温度影响很大且不易消除的问题,以聚合物封装的光纤光栅传感器为例,提出了用BP神经网络实现光纤光栅压力传感器温度补偿的方法,解决了传感器输出特性的非线性校正的问题.通过Matlab仿真结果显示,系统最大测量误差由1915%降低到4.26%;实验证明该方法可以有效地减少温度对光纤光栅压力传感器测量精度的影响.
【总页数】4页(P17-19,23)
【作者】徐伟;张帅;王克家
【作者单位】哈尔滨工程大学,信息与通信工程学院,黑龙江,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学,信息与通信工程学院,黑龙江,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学,信息与通信工程学院,黑龙江,哈尔滨150001
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.14
【相关文献】
1.带温度补偿基于薄壁圆筒结构的光纤光栅压力传感器 [J], 王俊杰;张丰涛;刘波;姜德生
2.基于PSO-LM-BP神经网络的压力传感器温度补偿方法 [J], 伍川辉;蒋荣伟
3.基于BP神经网络模型的压力传感器温度补偿 [J], 乔维德
4.基于BP神经网络的压力传感器温度补偿方法研究 [J], 刘贺;李淮江
5.基于温度补偿方法去敏的新型光纤光栅压力传感器 [J], 王俊杰;刘波;张丰涛;张东生
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