1 引 言

　　近年，光纤bragg光栅(fbg)作为一种新型的灵巧传感元件得到广泛而深入的研究[1]。然而，fbg的反射波长同时对应变和温度敏感，采用单个光栅难以实现温度和应变(或压力)的区分测量[2，3]，但在如油气管线、油气井下等实际应用中同时获取温度和压力信息是非常重要的。另一方面，裸光栅的温度和压力响应灵敏度较低。因此，在温度和压力同时区分测量时，要进行不同的增敏[4~6]以提高传感器的测量精度。文献[7]基于平面膜片实现温度和压强同时区分测量，温度和压强响应灵敏度分别为1.5×10-5/℃和2.8×10-4/mpa；文献[8]基于弹簧管和悬臂梁结构得到fbg的压强灵敏度系数为-1.79×10-4/mpa，温度灵敏度提高为裸fbg的7倍。但是，这些区分测量的方法由于灵敏度较低等，仍然满足不了实际应用压力或温度高精度测量的需要。

　　本文根据实际油气管线压力一般在几mpa，温度一般在一20～100℃间，设计了基于圆柱形容器和活塞结合的温度和压力同时区分测量的新方法。实验结果表明，该传感器的压力响应灵敏度系数为0.822 3 nm/mp a，温度响应灵敏度系数为0.032 2 nm/℃，且fbg中心波长的改变与压力、温度都成良好的线性关系；通过改变材料等参数可以调节压力和温度的灵敏度，实现不同精度的压力和温度同时区分测量的要求。

2 原理

2．1 fbg温度应变响应机理

　　根据fbg的耦合模理论，均匀非闪耀fbg可将其中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fbg的波长λb为

　　式中：neff为导模的有效折射率；a为光栅周期。当fbg受到外力作用或外界温度变化时，由于弹光效应、热光效应、热膨胀及形变等，引起bragg波长的相对漂移量为[2]

　　其中：ε为fbg轴向应变；pe为有效弹光系数；△t为温度变化量；ζ、a分别为fbg的热光系数和热膨胀系数。　　 。当fbg被粘贴于基底材料上时，基底材料的变形和热膨胀都会传递到fbg上，使bragg波长发生漂移。若用asub表示基底材料的热膨胀系数，此时的bragg波长相对偏移量与应变、　　温度的关系为

2．2 压力、温度同时测量

　　设计的fbg压力温度同时测量的传感器示意图。圆柱形容器和活塞互相密合，保证圆柱形容器内压力测量的稳定性。活塞在安装时表面涂润滑剂以保证在容器内壁自由滑动，同时增加容器的密封性。fbg 1和fbg 2用高强度的粘结剂粘贴于基底材料上，材料两端有圆孔，弹性材料一端固定在圆柱形容器的底部，另一端固定在活塞上。弹性材料的中间制成矩形孔，同时保证孔左右两侧弹性材料的横截面积相同，从而提高粘贴在弹性材料上的fbg 1的应变。容器底部有阀门，外界的液压或气压通过此口进入容器，当容器内液体或气体压力变化时，将引起活塞的上下运动，从而带动连接的弹性材料的形变，进而带动fbg 1的轴向形变。

　　实验时，光纤光栅传感器与油压实验系统相连，对活塞进行受力分析，忽略活塞和容器壁间的摩擦，得到

　　其中：pg为圆柱形容器内的压强；sg为活塞的横截面面积；p为大气压强；gp为活塞的重力；f为活塞受到弹性材料的拉力。对与fbg 1相连的基底材料，由于矩形孔左右两侧截面横截面积相同，因此受到的力f0也相同，所以有

　　设器件的下端固定，矩形孔左右两侧受到的拉力都为f0，截面积都为a，材料的弹性模量为e0，由材料力学，与fbg 1相连的弹性材料的截面受到的应变为

　　由于fbg 1与基底材料粘结在一起，基底材料的轴向应变会带动fbg 1的拉伸，可以认为基底材料和fbg 1的应变相同。由式(3)、(4)、(5)和(6)得到fbg 1的相对波长变化量与应变和温度变化的关系为

　　设p为内外压差，由于活塞重力较小，产生的压强相对于总的压强可以忽略。当f=0时，fbg没有应变。当f不为0，　fbg会发生改变，从而引起fbg波长的变化，波长的变化量为

　　式中，λ1为圆柱形容器内外压差为零时fbg的波长。由式(8)可以看出，fbg中心波长相对漂移量与压力、温度间是线性关系。由于大气压恒定，活塞所受重力不变