1 引 言

　　近年，光纖bragg光柵(fbg)作為一種新型的靈巧傳感元件得到廣泛而深入的研究[1]。然而，fbg的反射波長同時對應(yīng)變和溫度敏感，采用單個光柵難以實現(xiàn)溫度和應(yīng)變(或壓力)的區(qū)分測量[2，3]，但在如油氣管線、油氣井下等實際應(yīng)用中同時獲取溫度和壓力信息是非常重要的。另一方面，裸光柵的溫度和壓力響應(yīng)靈敏度較低。因此，在溫度和壓力同時區(qū)分測量時，要進行不同的增敏[4~6]以提高傳感器的測量精度。文獻[7]基于平面膜片實現(xiàn)溫度和壓強同時區(qū)分測量，溫度和壓強響應(yīng)靈敏度分別為1.5×10-5/℃和2.8×10-4/mpa；文獻[8]基于彈簧管和懸臂梁結(jié)構(gòu)得到fbg的壓強靈敏度系數(shù)為-1.79×10-4/mpa，溫度靈敏度提高為裸fbg的7倍。但是，這些區(qū)分測量的方法由于靈敏度較低等，仍然滿足不了實際應(yīng)用壓力或溫度高精度測量的需要。

　　本文根據(jù)實際油氣管線壓力一般在幾mpa，溫度一般在一20～100℃間，設(shè)計了基于圓柱形容器和活塞結(jié)合的溫度和壓力同時區(qū)分測量的新方法。實驗結(jié)果表明，該傳感器的壓力響應(yīng)靈敏度系數(shù)為0.822 3 nm/mp a，溫度響應(yīng)靈敏度系數(shù)為0.032 2 nm/℃，且fbg中心波長的改變與壓力、溫度都成良好的線性關(guān)系；通過改變材料等參數(shù)可以調(diào)節(jié)壓力和溫度的靈敏度，實現(xiàn)不同精度的壓力和溫度同時區(qū)分測量的要求。

2 原理

2．1 fbg溫度應(yīng)變響應(yīng)機理

　　根據(jù)fbg的耦合模理論，均勻非閃耀fbg可將其中的一個導(dǎo)模耦合到另一個沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射波，反射波fbg的波長λb為

　　式中：neff為導(dǎo)模的有效折射率；a為光柵周期。當(dāng)fbg受到外力作用或外界溫度變化時，由于彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、熱膨脹及形變等，引起bragg波長的相對漂移量為[2]

　　其中：ε為fbg軸向應(yīng)變；pe為有效彈光系數(shù)；△t為溫度變化量；ζ、a分別為fbg的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。　　 。當(dāng)fbg被粘貼于基底材料上時，基底材料的變形和熱膨脹都會傳遞到fbg上，使bragg波長發(fā)生漂移。若用asub表示基底材料的熱膨脹系數(shù)，此時的bragg波長相對偏移量與應(yīng)變、　　溫度的關(guān)系為

2．2 壓力、溫度同時測量

　　設(shè)計的fbg壓力溫度同時測量的傳感器示意圖。圓柱形容器和活塞互相密合，保證圓柱形容器內(nèi)壓力測量的穩(wěn)定性。活塞在安裝時表面涂潤滑劑以保證在容器內(nèi)壁自由滑動，同時增加容器的密封性。fbg 1和fbg 2用高強度的粘結(jié)劑粘貼于基底材料上，材料兩端有圓孔，彈性材料一端固定在圓柱形容器的底部，另一端固定在活塞上。彈性材料的中間制成矩形孔，同時保證孔左右兩側(cè)彈性材料的橫截面積相同，從而提高粘貼在彈性材料上的fbg 1的應(yīng)變。容器底部有閥門，外界的液壓或氣壓通過此口進入容器，當(dāng)容器內(nèi)液體或氣體壓力變化時，將引起活塞的上下運動，從而帶動連接的彈性材料的形變，進而帶動fbg 1的軸向形變。

　　實驗時，光纖光柵傳感器與油壓實驗系統(tǒng)相連，對活塞進行受力分析，忽略活塞和容器壁間的摩擦，得到

　　其中：pg為圓柱形容器內(nèi)的壓強；sg為活塞的橫截面面積；p為大氣壓強；gp為活塞的重力；f為活塞受到彈性材料的拉力。對與fbg 1相連的基底材料，由于矩形孔左右兩側(cè)截面橫截面積相同，因此受到的力f0也相同，所以有

　　設(shè)器件的下端固定，矩形孔左右兩側(cè)受到的拉力都為f0，截面積都為a，材料的彈性模量為e0，由材料力學(xué)，與fbg 1相連的彈性材料的截面受到的應(yīng)變?yōu)?br>

　　由于fbg 1與基底材料粘結(jié)在一起，基底材料的軸向應(yīng)變會帶動fbg 1的拉伸，可以認為基底材料和fbg 1的應(yīng)變相同。由式(3)、(4)、(5)和(6)得到fbg 1的相對波長變化量與應(yīng)變和溫度變化的關(guān)系為

　　設(shè)p為內(nèi)外壓差，由于活塞重力較小，產(chǎn)生的壓強相對于總的壓強可以忽略。當(dāng)f=0時，fbg沒有應(yīng)變。當(dāng)f不為0，　fbg會發(fā)生改變，從而引起fbg波長的變化，波長的變化量為

　　式中，λ1為圓柱形容器內(nèi)外壓差為零時fbg的波長。由式(8)可以看出，fbg中心波長相對漂移量與壓力、溫度間是線性關(guān)系。由于大氣壓恒定，活塞所受重力不變