FBG在温度交变环境下温度灵敏度研究_庞博.pdf

2023年第1期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）No.1 2023 总第392期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.392 收稿日期：2019-02-19；修回日期：2019-06-03 文章编号：2097-1974(2023)01-0088-05 DOI：10.7654/j.issn.2097-1974.20230118 FBG 在温度交变环境下温度灵敏度研究 庞 博1，赵 峥1，周月阁1，刘守文1,2（1.北京卫星环境工程研究所，航天机电产品环境可靠性试验北京市重点实验室，北京，100094；2.可靠性与环境工程技术重点实验室，北京，100094）摘要：为探求FBG在太空温度交变环境下是否可靠，建立了温度灵敏度试验系统。研究温度变化引起光纤光栅波长漂移与热膨胀系数之间的关系。首先，搭建光纤光栅温度敏感检测试验平台，通过改变环境温度获取FBG光谱并与理论漂移系数进行了对比，然后，建立温度与FBG主波长的线性与二次多项式拟合关系并选取SSE、RMSE、R-square三个指标对比两种拟合方法的优劣，最后分析了理论计算与试验计算结果差异的原因。试验结果表明，在温度设定的范围-60到110作为外层空间温度的模拟温度环境下，理论温度漂移值与实际值在不同光栅位置分别有7.4%、7.7%的误差，故FBG由于温度变化的主波长偏移用二次多项式拟合比理论相对线性拟合更精确。从而，利用FBG的机械参数来计算FBG的温度敏感系数是不合适的，具体的温度敏感系数需要通过试验来确定。关键词：温度敏感性；FBG；主波长 中图分类号：TP394.1；TH91.9 文献标识码：A Study on the Temperature Sensitivity of FBG under the Condition of Temperature Alternation Pang Bo1,Zhao Zheng1,Zhou Yue-ge1,Liu Shou-wen1,2（1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering Beijing Key Laboratory of Environmental and Reliability Testing for Aerospace Mechanical and Electrical Products,Beijing,100094;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering,Beijing,100094)Abstract:In order to explore whether FBG is reliable in the space temperature alternate environment,a temperature sensitivity experimental system is established.The relationship between wavelength shift and thermal expansion coefficient is studied.First of all,the fiber Bragg grating temperature sensitive detection experiment platform is set up,and then,by changing the environment temperature for FBG spectrum and drift coefficient is compared with theory,and then temperature with FBG wavelength of linear and quadratic polynomial fitting relations are established and SSE,RMSE,R-square three index contrast the merits of the two fitting methods,finally the reason for the difference between the theoretical calculation and experimental results are analyzed.Experimental results show that the temperature setting of the range to-60 to 110 as the temperature of the outer space simulated temperature environment,the theory of temperature drift value and actual value in different error of the grating position are 7.4%,7.7%,so the FBG main wavelength shift due to temperature changes with a quadratic polynomial fitting are more accurate than the theory of relative linear fitting.Therefore,it is not appropriate to use the mechanical parameters of FBG to calculate the temperature sensitivity coefficient of FBG.The specific temperature sensitivity coefficient needs to be determined through experiments.Key words:temperature sensitivity;FBG;primary wavelength 0 引 言 光纤光栅传感器技术是具有广泛应用前景的传感器技术。近年来被广泛应用于监测航空结构和材料的健康状态1,2。相比于大多数其他传感器，如 PZT3、ICMS，FBG4传感器有轻量级和波分复用等许多优点。一般来说FBG的响应是由温度和应变耦合而决定的，主波长位移在平均应变范围内是线性的5，然而，对于 FBG 的温度响应，主波长的变化要复杂得多。基于理论和试验分析，学者们对 FBG 的温度灵敏度进行了大量的研究。Wolfgang Eche 等6提出了一种由 12 个 FBG 组成的分布式网络传感系统来监测 X-38 航天器的结构健康，温度范围为-40 200、应力范 庞 博等 FBG在温度交变环境下温度灵敏度研究 89第1期 围为-1000 3000。在试验中独立考虑 FBG 的温度敏感性，排除了应变效应的影响，使 FBG 处于无应力状态。当 FBG 处于低温状态时，FBG 的温度灵敏度变得更加非线性。此外，主波长随温度每增加 5，性能的漂移相比于理论相对线性拟合更符合二次多项式拟合。1 试验设计 本文中，测量布拉格波长偏移来确定作用在光栅截面上的温度效应。搭建了光纤光栅温度敏感检测试验平台，主要分为温度控制系统和光学传感系统（SM125）两大部分。为了模拟外太空船的温度环境，温度范围设定在-60 110 之间，其升温间隔为5。为了获得温度灵敏度，通过温箱实现对温度的控制，4 个 FBG 传感器在无应力状态下平行放置在其中。此外，这里使用光学传感系统（SM125）来获得FBG 在不同温度下的反射响应。温度控制系统温度试验箱FBG 传感器数字示波器数据采集程序微波光学传感系统SM125 图1 FBG温度灵敏度检测系统的试验装置 Fig.1 The Experiment Setup for FBG Sensor Temperature Sensitivity Detection System 2 结果与讨论 试验评估了在 0、5 下的响应信号，如图 2所示。由图 2 可知，随着温度的升高，主波长变长。a）0 图2 不同温度下的反射光谱 Fig.2 The Reflectivity Spectrum Under Temperatures b）5 续图2 为了分析在极端环境下主波长漂移与温度变化之间的关系。通过提取光纤光栅的反射率谱，得到了光纤光栅在温度范围-60 到 110 梯度 5 下的特征。然后，对于每个光栅位置，在该测试中可以处理35 组试验数据。如前所述，为了消除随机误差，在温度箱中放置了 4 个带有 8 个光栅的 FBG。处理结果如图 3 所示。a）FBG1的第1个光栅数据 b）FBG1的第2个光栅数据 c）FBG2的第1个光栅数据 d）FBG2的第2个光栅数据 图3 FBG1与FBG2在不同温度环境下主波长的变化 Fig.3 The Primary Wavelength Changing under Different Temperature of FBG1 and FBG2 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）2023年 90 图 3a 和 3b 所示的圆圈清楚地显示了波长漂移随温度升高的奇异性。这些波长的漂移可能是随机出现的，原因是其他 FBG 没有显示出相同的性能。因此，利用 FBG3 和 FBG4 来分析灵敏度系数，此外，图中其他部分，主波长漂移与温度的变化曲线并不满足单变量线性回归。那么，它们的系数可能不等于系数理论计算7常系数 0.01 nm/。试验与理论所得的系数存在误差，导致当光纤光栅材料随热膨胀、随冷收缩时8，光纤光学性能和力学性能经历不同的温度阶段时会发生不可预测的变化。下面，对 FBG3 与 FBG4 分别进行了主波长和温度之间的线性和二次拟合。为了评价两种拟合方法的性能，这里选择误差平方和（SSE）、确定系数（R-square）和均方根误差（RMSE）这 3 个指标9来定量拟合性能。2.1 线性模型拟合 通过对 FBG3 与 FBG4 各组光栅的数据进行线性拟合得到的数据如图 4、图 5 所示。a）FBG3第1个光栅拟合数据 b）FBG3第2个光栅拟合数据 图4 FBG3主波长与温度的线性回归拟合结果 Fig.4 Linear Regression Fitting Results of Primary Wavelength and The Temperature in FBG3 表1 FBG3拟合结果的公式及评价指标 Tab.1 The Function and The Evaluation Indicators of the FBG3 Fitting Results 数据指标 光栅位置 1 光栅位置 2 拟合结果公式 F(X)=0.01074X+1465 F(X)=0.01075X+1466误差平方和 0.0176 0.0177 确定系数 0.9982 0.9983 均方根误差 0.02315 0.02316 a）FBG4第1个光栅拟合数据 b）FBG4第2个光栅拟合数据 图5 FBG4主波长与温度的线性回归拟合结果 Fig.5 Linear Regression Fitting Results between Primary Wavelength and The Temperature in FBG4 表2 FBG4拟合结果的公式及评价指标 Tab.2 The Function and The Evaluation Indicators of the FBG4 Fitting Results 数据指标 光栅位置 1 光栅位置 2 拟合结果公式 F(X)=0.00923X+1472 F(X)=0.00922X+1471 误差平方和 0.01