智能机器人交叉敏感问题的解决方案

1、智能传感器交叉敏感问题解决方案。引言作为近几年开展最快的光纤无源器件之一，在光纤传感领域具有广阔的应用前景。可以测量的 参量有温度、应变、压力、位移、速度、加速度等，其中测量的基本参量为温度和应变，其余的参 量将转化为基本参量进行测量，但对温度和应变都是敏感的，当用于传感时，很难区分它们分别引 起被测量的变化，因此温度和应变的交叉敏感问题成为传感的关键研究点之一。本文首先从理论上分析产生交叉敏感的物理机理，然后分别介绍了交叉敏感解决的3种基本思 想，即双波长矩阵算法、双参量矩阵运算法与应变（温度）补偿法，并分析了各种方法的优缺点，以 便于能够针对不同的应用环境选择最优的解决方法。目录 TOC

2、o 1-5 h z 0弓I言1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1理论分析3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2交叉敏感问题的解决方法42.1双波长矩阵法42.2双参量矩阵法62.3温度（应变）补偿法6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3结论71理论分析根据模式耦合理论，均匀的FBG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，峰值的反射波长为Ab= 2neffA (1)式(1)中:Ab为峰值的反射波长;r)eff为纤

3、芯的有效折射率;A为光 栅周期。由式(1)可知，neff和A的变化引起入B的变化，温度T和应变s的变化将引起r%ff和A的 变化，因此，温度和应变是直接引起反射波长变化的量。将式(1)变换为温度和应变的函数为 AB=2neff(T,) A(Tzs)(2)收稿日期:2012-11-01文章编号:1005-3824( 2012) 06-0015-03 求式(2)的 Taylor 展开式得，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，引起波长的漂移不仅有Ae , AT , 还有它们的交叉项和后面的高阶项。当和AT很大时，波长随着Ae , AT的变化是非线性的， 当温度和应变的变化范围不是很大时，式(3)后面的高阶项和交叉项影响非常小，因此，可以忽略 不计，式(3)可改写为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)可改写为Ab = KAe + KtAT( 8)式(

5、8)中：儿为应变灵敏度系数;降为温度灵敏度系数。根据光纤Bragg光栅的传感机理，中 心反射波长的变化可以表示为Ab = Ab( 1 - Pe) As +入b( a + 0 AT( 9)式(9)中:Pe为弹光系数，弹光系数与纤芯材料的泊 松比有关;a为热膨胀系数;为热光系数。比照式 (8)与式(9)可得,K = Ab(1 - Pe) (10) Kt =筛(a + W) (11)由式(10)与式(11)可知，人与光纤泊松比、弹 光系数、纤芯有效折射率及周期有关，%与热膨胀系数和热光系数有关。由式(8)和式(9)可知，波长的漂移是由温度和应变的变化共同影响的，仅仅通过测量一个光纤 Bragg光栅的

6、反射中心波长漂移量无法得知温度和应变其中一个参量的变化量，从而影响传感器的 精度。2交叉敏感问题的解决方法针对交叉敏感问题，近几年人们提出了许多种解决方法，目前这些方案大多基于这些思想:双波 长矩阵法、双参量矩阵法和应变(温度)补偿法。2. 1双波长矩阵法双波长矩阵法的基本思想为通过一定的方式在一个传感头中获得2个不同的Bragg波长，并通 过检测2个Bragg波长的位移，实现温度不敏感测量或应变及温度的同时测量。在应变和温度的同 时测量情况下，如果有2个波长N,入2同时对2个被测量敏感，那么由式(8)可得如下矩阵方程，Xi = kie kn aeXi = kie kn ae(12)入2k2E

7、 l2T AT式（12）中：kz %分别为光纤Bragg光栅的应变和温度灵敏度。Ae和AT有解的条件为ku kiTk2s k2TH （13）由式（13）可知式（12）有解的条件为2个Bragg波长具有不同的应变或温度灵敏度系数。根据双波长矩阵法解决交叉敏感的例子很多，主要归结为2类。. 1双法1）双光栅叠加法。该方法是在光纤的同一位置写入2个温度和应变灵敏度系数相差很大的FBGO 一束光通过这2 个FBG时，其温度和应力变化量相同，那么各自Bragg波长可表示为式（12）。优点:可同时测量温 度和应变，不需要引入其它物理量。缺点:在光纤的同一位置重叠写入2个Bragg波长相差较大的 光栅，制作

8、困难，很难实现。2）光纤不同位置写入FBGO双FBG法的基本思想是在一个传感头中分别制作2个Bragg波长不同的FBG ,即FBG1 , FBG2，使得FBG1只对温度敏感，FBG2对温度和应变都敏感。2个FBG的相对Bragg波长差随 着应变的增加而增加，但不会随温度的波动而变化，因此可以区 分开2个FBG对温度和应变的响应，从而实现同时测量。基于这一思想，文献1 中提出了一种 温度不敏感的应变测量方案。除此之外，集成的微机电系统也能有效解决交叉敏感问题，如文献2 提出了一种基于双 FBG和悬臂梁的交叉敏感解决方法。如图1所示，FBG1和FBG2串联贴于悬臂梁的同一位置，等 腰三角形悬臂梁的

9、底边端固定，顶端受力F,实验结果为FBG1和FBG2的Bragg波长差随着悬臂 梁端压力F的增加双倍的增大，但温度的变化对其没有影响，从而实现FBG应变的测量。该结构很巧妙地将应变灵敏度增大一倍，温度很好地得到了补偿，但大多微机电结构制作复杂。二FBC1 悬臂孑a主视图图1对FBG进行合理的封装和结构设计，使其相当于2个Bragg波长不同的FBG , 一束宽带光注入FBG时产生了 2个反射波峰，这样根据双波长矩阵法便可以实现温度和应变的同时测量。对于这种方法，目前已有大量的文献3，。2双参量矩阵法该方法基本思想是双波长矩阵法的一个升华，它是除Bragg波长外，还需要利用另一个对应变、 温度同时

10、敏感并成线性关系的物理量（如功率、频率和时间），以实现温度不敏感测量或温度和应变 同时测量。假设存在这样的一个物理量v ,当温度和应变同时变化时，该物理量v和Bragg波长的 变化可表示为v = Kvt Kvs at（14）Ab Kat Kxe 8式（14）中：Kvt , Kve为物理量v的温度和应变灵敏度系数Kat , G为Bragg波长的温度和应变灵 敏度。由式（14）可知，通过检测物理量v和Bragg波长的变化，便可以实现温度和应变的同时测 量。针对这种方法，国内外已有大量的文献，如光纤Bragg光栅（FBG）与多模光纤（MMF）法、 FBG和长周期（LPG）法、FBG和EFPI法、双环

11、镜法9-10 k 双 LPG 法等方法11-12 Jo该方法的优点是可供选择的物理量很多，测试方法也比拟灵活。其缺乏之处在于引入了另外一 种参量，增加了与这个参量相关的测试系统，使整个系统更为复杂，且具有一定的局限性。2. 3温度（应变）补偿法该方法通过对传感单元进行特殊设计，使其某相对物理量对温度（应变）不敏感，从而到达温 度（应变）的测量或2个量同时测量的目的。目前使用最为广泛的温度（应变）补偿法有:双FBG熔 接法、封装法、温度增敏法和压力增敏法。S . W . James等人采用两个不同包层直径的FBG作 为传感单元进行了测量B 文献14 采用在FP传感器附近写入光纤Bragg光栅实现温度的补 偿，从而实现温度和应变同时测量，传感头的结构如图2所示。图2 FP压力传感器3结论的温度和应变交叉敏感