智能機器人交叉敏感問題的解決方案

1、智能傳感器交叉敏感問題解決方案。引言作為近幾年開展最快的光纖無源器件之一，在光纖傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?？梢詼y量的 參量有溫度、應(yīng)變、壓力、位移、速度、加速度等，其中測量的基本參量為溫度和應(yīng)變，其余的參 量將轉(zhuǎn)化為基本參量進行測量，但對溫度和應(yīng)變都是敏感的，當(dāng)用于傳感時，很難區(qū)分它們分別引 起被測量的變化，因此溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題成為傳感的關(guān)鍵研究點之一。本文首先從理論上分析產(chǎn)生交叉敏感的物理機理，然后分別介紹了交叉敏感解決的3種基本思 想，即雙波長矩陣算法、雙參量矩陣運算法與應(yīng)變（溫度）補償法，并分析了各種方法的優(yōu)缺點，以 便于能夠針對不同的應(yīng)用環(huán)境選擇最優(yōu)的解決方法。目錄 TOC

2、o 1-5 h z 0弓I言1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1理論分析3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2交叉敏感問題的解決方法42.1雙波長矩陣法42.2雙參量矩陣法62.3溫度（應(yīng)變）補償法6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3結(jié)論71理論分析根據(jù)模式耦合理論，均勻的FBG可將其中傳輸?shù)囊粋€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，峰值的反射波長為Ab= 2neffA (1)式(1)中:Ab為峰值的反射波長;r)eff為纖

3、芯的有效折射率;A為光 柵周期。由式(1)可知，neff和A的變化引起入B的變化，溫度T和應(yīng)變s的變化將引起r%ff和A的 變化，因此，溫度和應(yīng)變是直接引起反射波長變化的量。將式(1)變換為溫度和應(yīng)變的函數(shù)為 AB=2neff(T,) A(Tzs)(2)收稿日期:2012-11-01文章編號:1005-3824( 2012) 06-0015-03 求式(2)的 Taylor 展開式得，Ab = n( To , So) A( To , So) +e_n_+ n/+ AT a n+ n/+S (To f E0)T T (To, so)sAT a _2r+ n _2A_+ A n + n a + .

4、E T 8 T T 8 T 8( to , go)(3)由式(3)可知，引起波長的漂移不僅有Ae , AT , 還有它們的交叉項和后面的高階項。當(dāng)和AT很大時，波長隨著Ae , AT的變化是非線性的， 當(dāng)溫度和應(yīng)變的變化范圍不是很大時，式(3)后面的高階項和交叉項影響非常小，因此，可以忽略 不計，式(3)可改寫為Ab = A( To, so) + As A n+ n A (to,eo)+EET A n+ n A (to,eo)( 4)令， TOC o 1-5 h z n八K = A + n(5)EEn A(6)Kt = A + nT T式(4)可改寫為Ab = KAe + KtAT( 8)式(

5、8)中：兒為應(yīng)變靈敏度系數(shù);降為溫度靈敏度系數(shù)。根據(jù)光纖Bragg光柵的傳感機理，中 心反射波長的變化可以表示為Ab = Ab( 1 - Pe) As +入b( a + 0 AT( 9)式(9)中:Pe為彈光系數(shù)，彈光系數(shù)與纖芯材料的泊 松比有關(guān);a為熱膨脹系數(shù);為熱光系數(shù)。比照式 (8)與式(9)可得,K = Ab(1 - Pe) (10) Kt =篩(a + W) (11)由式(10)與式(11)可知，人與光纖泊松比、彈 光系數(shù)、纖芯有效折射率及周期有關(guān)，%與熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)。由式(8)和式(9)可知，波長的漂移是由溫度和應(yīng)變的變化共同影響的，僅僅通過測量一個光纖 Bragg光柵的

6、反射中心波長漂移量無法得知溫度和應(yīng)變其中一個參量的變化量，從而影響傳感器的 精度。2交叉敏感問題的解決方法針對交叉敏感問題，近幾年人們提出了許多種解決方法，目前這些方案大多基于這些思想:雙波 長矩陣法、雙參量矩陣法和應(yīng)變(溫度)補償法。2. 1雙波長矩陣法雙波長矩陣法的基本思想為通過一定的方式在一個傳感頭中獲得2個不同的Bragg波長，并通 過檢測2個Bragg波長的位移，實現(xiàn)溫度不敏感測量或應(yīng)變及溫度的同時測量。在應(yīng)變和溫度的同 時測量情況下，如果有2個波長N,入2同時對2個被測量敏感，那么由式(8)可得如下矩陣方程，Xi = kie kn aeXi = kie kn ae(12)入2k2E

7、 l2T AT式（12）中：kz %分別為光纖Bragg光柵的應(yīng)變和溫度靈敏度。Ae和AT有解的條件為ku kiTk2s k2TH （13）由式（13）可知式（12）有解的條件為2個Bragg波長具有不同的應(yīng)變或溫度靈敏度系數(shù)。根據(jù)雙波長矩陣法解決交叉敏感的例子很多，主要歸結(jié)為2類。. 1雙法1）雙光柵疊加法。該方法是在光纖的同一位置寫入2個溫度和應(yīng)變靈敏度系數(shù)相差很大的FBGO 一束光通過這2 個FBG時，其溫度和應(yīng)力變化量相同，那么各自Bragg波長可表示為式（12）。優(yōu)點:可同時測量溫 度和應(yīng)變，不需要引入其它物理量。缺點:在光纖的同一位置重疊寫入2個Bragg波長相差較大的 光柵，制作

8、困難，很難實現(xiàn)。2）光纖不同位置寫入FBGO雙FBG法的基本思想是在一個傳感頭中分別制作2個Bragg波長不同的FBG ,即FBG1 , FBG2，使得FBG1只對溫度敏感，F(xiàn)BG2對溫度和應(yīng)變都敏感。2個FBG的相對Bragg波長差隨 著應(yīng)變的增加而增加，但不會隨溫度的波動而變化，因此可以區(qū) 分開2個FBG對溫度和應(yīng)變的響應(yīng)，從而實現(xiàn)同時測量?；谶@一思想，文獻1 中提出了一種 溫度不敏感的應(yīng)變測量方案。除此之外，集成的微機電系統(tǒng)也能有效解決交叉敏感問題，如文獻2 提出了一種基于雙 FBG和懸臂梁的交叉敏感解決方法。如圖1所示，F(xiàn)BG1和FBG2串聯(lián)貼于懸臂梁的同一位置，等 腰三角形懸臂梁的

9、底邊端固定，頂端受力F,實驗結(jié)果為FBG1和FBG2的Bragg波長差隨著懸臂 梁端壓力F的增加雙倍的增大，但溫度的變化對其沒有影響，從而實現(xiàn)FBG應(yīng)變的測量。該結(jié)構(gòu)很巧妙地將應(yīng)變靈敏度增大一倍，溫度很好地得到了補償，但大多微機電結(jié)構(gòu)制作復(fù)雜。二FBC1 懸臂孑a主視圖圖1對FBG進行合理的封裝和結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其相當(dāng)于2個Bragg波長不同的FBG , 一束寬帶光注入FBG時產(chǎn)生了 2個反射波峰，這樣根據(jù)雙波長矩陣法便可以實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時測量。對于這種方法，目前已有大量的文獻3，。2雙參量矩陣法該方法基本思想是雙波長矩陣法的一個升華，它是除Bragg波長外，還需要利用另一個對應(yīng)變、 溫度同時

10、敏感并成線性關(guān)系的物理量（如功率、頻率和時間），以實現(xiàn)溫度不敏感測量或溫度和應(yīng)變 同時測量。假設(shè)存在這樣的一個物理量v ,當(dāng)溫度和應(yīng)變同時變化時，該物理量v和Bragg波長的 變化可表示為v = Kvt Kvs at（14）Ab Kat Kxe 8式（14）中：Kvt , Kve為物理量v的溫度和應(yīng)變靈敏度系數(shù)Kat , G為Bragg波長的溫度和應(yīng)變靈 敏度。由式（14）可知，通過檢測物理量v和Bragg波長的變化，便可以實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時測 量。針對這種方法，國內(nèi)外已有大量的文獻，如光纖Bragg光柵（FBG）與多模光纖（MMF）法、 FBG和長周期（LPG）法、FBG和EFPI法、雙環(huán)

11、鏡法9-10 k 雙 LPG 法等方法11-12 Jo該方法的優(yōu)點是可供選擇的物理量很多，測試方法也比擬靈活。其缺乏之處在于引入了另外一 種參量，增加了與這個參量相關(guān)的測試系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)更為復(fù)雜，且具有一定的局限性。2. 3溫度（應(yīng)變）補償法該方法通過對傳感單元進行特殊設(shè)計，使其某相對物理量對溫度（應(yīng)變）不敏感，從而到達溫 度（應(yīng)變）的測量或2個量同時測量的目的。目前使用最為廣泛的溫度（應(yīng)變）補償法有:雙FBG熔 接法、封裝法、溫度增敏法和壓力增敏法。S . W . James等人采用兩個不同包層直徑的FBG作 為傳感單元進行了測量B 文獻14 采用在FP傳感器附近寫入光纖Bragg光柵實現(xiàn)溫度的補 償，從而實現(xiàn)溫度和應(yīng)變同時測量，傳感頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 FP壓力傳感器3結(jié)論的溫度和應(yīng)變交叉敏感