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一种新型温度自适应光纤光栅动态传感系统

一种新型温度自适应光纤光栅动态传感系统
一种新型温度自适应光纤光栅动态传感系统

 第17卷 第12期强激光与粒子束Vol.17,No.12 2005年12月HIGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2005 文章编号: 100124322(2005)1221773205

一种新型温度自适应光纤光栅动态传感系统3

吴晓冬, 陈 军, 陈哲敏

(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027)

摘 要: 研究了采用温度控制光纤Bragg光栅(FB G)作为信号解调器件的自适应光纤光栅动态传感系

统。系统利用半导体制冷器件对滤波用FB G进行温度控制,以改变FB G的窄带滤波波长,使之在合适的滤波

波长工作,以适应测量环境温度变化,实现对传感器环境温度变化的自适应。通过采用参考信道,去除系统噪

音,提高测量精度。系统动态应变传感精度达到9.745×10-10(Hz)-1/2。

关键词: 光纤光栅; 传感器; 温度控制

中图分类号: TP212 文献标识码: A

近年来,光纤Bragg光栅(FB G)作为新型传感器件在应变和温度传感领域受到广泛关注[1~3]。光纤光栅传感器在应变传感领域可以分为准静态传感和动态传感。准静态传感目前已在桥梁、隧道和矿井监测和材料检测等现场获得一定的应用[4,5]。动态测量主要侧重于频域信号的分析,目前也有较大的进展[6,7]。对于光纤光栅传感系统的关键技术Bragg波长信号的解调,目前在该领域已进行了多方面研究:基于FB G滤波法[8,9],马赫2泽德干涉法[10],法布里2珀罗滤波法[11],可调光源法[12],DWDM(dense2wavelengt h demultiplexing)调制法[13],AO TF(acoustic t uned integrated optics filter)法[14]等。

本文阐述了一套新型的FB G动态信号传感系统,采用滤波FB G作为对传感FB G信号的解调器件,通过温度控制滤波FB G达到解调系统对传感FB G环境温度的自适应。

1 原理与装置

1.1 实验系统

实验装置如图1所示。光纤光栅传感器(传感光纤光栅Sensor FB G)采用嵌入粘合方式安装在岩石结构中。滤波FB G反射率大于90%,波长宽度为3dB(<0.3nm)。宽带光源(ASE Broadband Light Source)发出的宽带光经过光纤循环器(Optical Fiber Circulator)后进入传感光纤光栅,传感光纤光栅Bragg波长光被反射。反射光经光纤循环器后被耦合器(3dB Coupler)分为两路,一路通过温控的滤波光纤光栅(Filter FB G)后

Fig.1 Setup of FB G measurement system

图1 FB G测量系统装置图

3收稿日期:2005204220; 修订日期:2005209230

基金项目:国家自然科学基金委2中国工程物理研究院联合基金资助课题(10376033)

作者简介:吴晓冬(1978—),男,博士研究生,主要从事光纤光栅传感方面研究;E2mail:cfuwxd@hot https://www.wendangku.net/doc/533283589.html,。

联系作者:陈 军(1946—),女,教授,博士生导师,主要从事激光及其应用方面的研究;E2mail:chenjun1@https://www.wendangku.net/doc/533283589.html,。

由光电二极管接收并转换为电流信号,另一路直接被光电二极管接收转换为电流信号作为参考信号。两路电流信号经Log 放大器(Logarit hmic Ratio Amplifier )信号相除,经过低通滤波放大器(Filter Amplifier )后由数据采集卡(DAQ )进行A/D 转换采样。计算机(Notebook )中的LabV IEW 程序对数据进行分析和处理。PID 控制器(PID Co nt rol )对滤波FB G 上的Peltier 贴片调节温度,并通过RS232接口和计算机上LabView 程序通信;同时LabView 程序通过GPIB 控制直流电源为Peltier 贴片供电。

系统的工作流程如下:首先通过测量滤波FB G 温度以及传感FB G 环境变化带来的漂移,计算出工作点温度和所需的电流。调节通过滤波FB G 上Peltier 片的电流,调制工作点。将滤波FB G 的温度调整到最佳工作点之后开始进入动态传感,等待触发。获得触发信号之后,记录信号,并做数据处理。系统每隔设定的时间,调制工作点,重复以上步骤进行持续的工作。

1.2 传感原理

传感器上传感FB G 的Bragg 波长和应变的关系为

ε=Δλ/0.78λ0

(1)

式中:λ0是传感光纤光栅的Bragg 波长;

ε是应变,Δλ是应变引起的传感光纤光栅的Bragg 波长变化。Fig.2 Principle of t he filter demodulation

图2 FB G 滤波解调原理 为实现温控滤波FB G 对传感FB G 的Bragg 波

长变化信号的解调,需使滤波FB G 的透射率曲线波

长和反射Bragg 波长相匹配。如图2所示,传感

FB G 的中心Bragg 波长在滤波FB G 的透射率曲线

斜坡上,此时滤波FB G 可正常工作。当传感FB G

因应变产生Bragg 波长漂移Δλ(从λ1到λ2)时,其

透射率变化Δs 。在测量范围内,由于Bragg 波长变

化Δ

λ相对较小,根据小信号模型原理,可认为Δs 和Δλ具有线性关系。另由于光电二极管的输出电流和光强成线性关系,可得到信号通道光电二极管输出电流I s 与应变ε关系

I s =(I 0+αΔλ)n =(I 0+0.78αλ0

ε)n (2)式中:I 0为基电流;α为常数,取决于系统器件(包括光电二极管、滤波FB G 、光源等);n 为由光源、循环器、传感器、耦合器、光纤等光学系统带来的噪音。而参考通道的光电二极管接受到的信号为

I R =A n (3)其中A 为常数,取决于光学系统各器件。Log 放大器对I s 和I R 作相除取Log 的实时处理后得到电压信号

U =lg I s I R =lg (αΔλ+I 0)n A n =lg αA Δλ+I 0A

=lg (k Δλ+q )=lg (0.78k ελ0+q )(4)其中k =α/A ,q =I 0/A 为常数。令

R =10U =0.78k ελ0+q (5)

得到U =lg (R )(6)

经过滤波放大器后,得到U ′=βlg (R )

(7)其中β为常数,取决于Log 放大器和滤波放大器的增益。得到此电压信号并由数据采集卡(N I 2DAQ )高速采集后,经LabView 软件的数学处理还原得到R ,即可得到应变信号。

1.3 温度控制FBG 和自动环境适应

在传感环境温度变化的情况下,传感FB G 的Bragg 波长将受到温度影响发生漂移,为匹配传感FB G 和滤波FB G 的波长,需调整滤波FB G ,通过对滤波FB G 温度的控制,可跟踪滤波FB G 处于正确的工作点上。如图

3所示,通过对温控滤波FB G 的温度扫描(0~50℃

),可拟合得到在不同温度下输出电压信号曲线,一阶求导得到的极值(33.9℃和16.7℃

)为系统工作点,此时滤波FB G 具有最大的灵敏度。得到工作点后,软件通过控制温控系统,可将系统稳定在工作点。

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Fig.3 Working point of t he temperature controlled FB G filter 图3 温控滤波FB G 的工作点Fig.4 Input current of temperature cont roller vs temperature

图4 温控器输入电流与温度的关系

为准确设置系统的工作点,实验测定了温控滤波FB G 模块的输入电流与温度变化关系,如图4所示。实

验证实两者具有线性关系,但是在加热和制冷过程中其系数不同,ΔI 分别为0.0693Δ

θ(制冷)和0.04988Δθ(加热)。

2 实验结果

实验中光纤光栅传感器被埋入长度为1.5m 的长方体岩石中,同时采用了传统加速度传感器(Geop hone )作为比较。激励信号为金属球沿长方体轴向敲击。FB G 传感系统采样频率为5k Hz ,系统采用自触发模式记录信号。图5为采样的波形时域信号和频域信号。采样时间窗口为100ms ,其中前10ms 为触发前噪音。通过频谱分析(图5中的FF T FB G signal 图)可以看到FB G 信号在1.66k Hz 具有极大的峰值,另在0.39,1.0,

1.8k Hz 处有较小峰值;在Geop hone 的对比信号中,也有1.66k Hz 的尖峰,在0.39k Hz 和1.0k Hz 处信号较小

Fig.5 Sampled signal of FB G

图5 FB G 采样信号

图6显示了在频域上信号与噪声的比例,FB G 的信噪比达到了15dB ,而Geop hoe 达到了20dB

Fig.6 Comparison of t he signals in frequency domain

图6 频域信号比较

通过实验数据我们得到系统的精度。在实验中测得的采样信号的前10ms 中的噪音的峰峰值为ΔR pp =0.000785,得到均方根值(取Nyquist 因子为5)

5

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ΔR rms =

ΔR pp 5=1.57×10-4(8)

根据式(1)和式(5)可得到精度εrms ν=ΔR rms 0.78k λ0ν=9.745×10-10Hz -1/2

(9)

实验中FB G 的λ0=1550nm ,k 通过以下公式实验标定获得

k =ΔR Δλ=ΔR Δλ′=ΔR ΔθΔθΔλ′

(10)其中λ′为滤波FB G 的波长。实验中,工作点温度为33.9℃,据图3所示,ΔR /Δθ=0.052(1/℃)。Δθ/Δλ′为

通过实验标定,如图7所示,Δθ/Δλ′=78.34249

Fig.7 Temperature variation vs Bragg wavelengt h of t he FB G filter

图7 温度变化与滤波FB G 的Bragg 波长关系

系统测得的最小应变为

 εsignal =ΔR pp 0.78k λ0

160.7×10-9=160.7n ε(11)3 结 论

本文采用滤波FB G 作为窄带滤波器解调模块的

FB G 动态应变传感系统,测量环境温度对FB G 短时

间内动态信号测量的影响可忽略,但长时间温度变化

将导致FB G 的Bragg 波长漂移,常规窄带滤波装置将

无法适应。本系统对滤波FB G 进行温度控制使之在

合适的窄带滤波工作波长以适应测量环境温度变化。

系统的温度控制与测量操作由计算机程序控制,可实现系统对于环境温度变化的自适应。系统中引入了参考信号,消除了大部分光学系统的噪音,提高了系统精

度,达到了9.745×10-10(Hz )-1/2的动态传感精度。系统各模块都采用计算机通信控制,实现系统的自动化测量。

致 谢 本文提出的温控FB G 滤波法、实验及测试是我们在德国波茨坦地学中心和浙江大学进行的,对于德国波茨坦地学中心的合作和帮助,在此表示感谢。

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A temperature self 2adapting f iber

B ragg grating dynamic sensor system

WU Xiao 2dong , CH EN J un , CH EN Zhe 2min

(T he S tate Key L aboratory of Modern O ptical I nst rumentation ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China )

Abstract : A self 2adapting FB G (Fiber Bragg grating )dynamic sensor system based on the temperature controlled filter FB G is https://www.wendangku.net/doc/533283589.html,ing the semiconductor cooling device the temperature of the FB Gfilter was controlled ,so that the wavelength of the narrowband filter FB G could be controlled to suit the environment temperature variation ,and the self adaptation of the tem 2perature variation be https://www.wendangku.net/doc/533283589.html,ing the reference channel and wiping off the system noise ,the measurement precision was im 2proved.The system dynamic strain resolution is 9.745×10-10(Hz )-1/2.

K ey w ords : Optical fiber grating ; Sensor ; Temperature control 7

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吴晓冬等:一种新型温度自适应光纤光栅动态传感系统

光纤光栅温度传感器 报告

波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》 课程作业报告 提交时间:2011年10月27 日

1 研究背景 (执笔人: ) 被测场或参量与敏感光纤相互作用,引起光纤中传输光的波长改变,进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。 光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息,其数学表达式为: 2B eff n λ=Λ 式中:eff n 为纤芯的有效折射率;Λ是光栅周期。 这是一种波长调制型光纤温度传感器,它具有一下明显优势: (1)抗干扰能力强。由于光纤传感器是利用光波传输信息,而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质,因而不怕强电磁干扰,也不影响外界的电磁场,并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感,具有很高的可靠性和稳定性。 (2)传感探头结构简单,体积小,重量轻,外形可变,适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤,稳定性、重复性好,适用于许多应用场合,尤其是智能材料和结构。 (3)测量结果具有良好的重复性。 (4)便于构成各种形式的光纤传感网络。 (5)可用于外界参量的绝对测量。 (6)光栅的写入技术已经较为成熟,便于形成规模生产。 (7)轻巧柔软,可以在一根光纤中写入多个光栅,构成传感阵列,与波分复用和时分复用系统相结合,实现分布式传感。 由于以上优点,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。但是它也存在一些不足之处。因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测,而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件,需大功率的宽带光源或可调谐光源,其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。 光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器,尤其在测量应力和应变的场合,具有其它一些传感器无法比拟的优点,被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部,作为检测材

常见光纤光栅传感器工作原理

常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定:λB=2nΛ (1) 式中,n为芯模有效折射率,Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时,光栅的周期或纤芯折射率将发生变化,从而使反射光的波长发生变化,通过测量物理量变化前后反射光波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同,可实现对磁场的直接测量。此外,通过特定的技术,可实现对应力和温度的分别测量,也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料(如压电材料),还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统,光栅的几何结构是均匀的,对单参数的定点测量很有效,但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时,就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同,在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外,还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的,啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移,而温度的变化则由于折射率的温度依赖性(dn/dT),仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽,就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 长周期光纤光栅(LPG)的周期一般认为有数百微米,LPG在特定的波长上把纤芯的

光耦合进包层:λi=(n0-niclad)。Λ。式中,n0为纤芯的折射率,niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减,留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振,LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差,由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移,通过检测△λi,就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度,因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时,一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面,或在梁的表面开一个小凹槽,使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护,则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋,由于需要修正温度效应引起的应变,可使用应力和温度分开的传感臂,并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里-珀罗干涉仪的反射镜,形成全光纤法布里-珀罗干涉仪(FFH),利用低相干性使干涉的相位噪声最小化,这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG,其中一个光栅用来测应变,另一个被保护起来,免受应力影响,以测量和修正温度效应,所以FFP~FBG实现了同时测量三个量:温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内,实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/(Hz)1/2的动态应变灵敏度。

光纤光栅传感系统的详细介绍

光纤光栅传感系统的详细介绍 本文介绍了光纤光栅传感系统的构成,分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED,LD和掺铒光源的性能,阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法,描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术,最后,提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。 自1978年,加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来,光纤光栅的制造技术不断完善,人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低,适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外,还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下,使各部分达到最优匹配,满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍,对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明,重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术,对信号常用的信号解调方法进行了总结,最后,提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量,光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息,外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中,由于传感量是对

光纤温度传感器

光纤温度传感器 电子092班 张洪亮 2009131041

光纤温度传感器 摘要 本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点,比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点,详细介绍了光纤温度传感器的原理,种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域,本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构,工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。 关键词:光纤传感器,光纤温度传感器,运用领域,空调器,空调器原理 1 引言: 光纤温度传感器是一种新型的温度传感器.它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点,其中几种主要的光纤温度传感器:分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件,对被测对象不产生影响;光纤耐高压,耐腐蚀,在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽,动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合,实现远距离测量和控制;体积小,重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理,特点和应用范围。70 年代中期,人们开始意识到光纤不仅具有传光特性,且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977 年,美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划,这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后,光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间,光纤传感器己达近百种,它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看,己有一些形成产品投入市场,但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件,对被测对象不产生影响;光纤耐高压,耐腐蚀,在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽,动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合,实现远距离测量和控制;体积小,重量轻等。目前,世界各国都对光纤传感器展开了广泛,深入的研究,几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光 纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。美国光纤

光纤光栅压力传感器

The research of FBG pressure sensing on the application of engineering ABSTRACT Fiber grating is one of the most rapid passive optical fiber components in recent years. Since 1978, the year when K.O.Hill and others first used the standing wave writing way in the germanium-doped fiber and make the world's first fiber grating, because of its’ many unique advantages, the use of the fiber grating in optical fiber communications Fields and fiber optic sensor Fields are broad prospected. With fiber grating manufacturing technology continues to improve, and the outcome of the application increasing, the fiber grating has been one of the most promising and representative optical passive components. The emergence of fiber grating makes many of the complex all-fiber communications and sensor networks possible, which greatly widened the scope of application of optical fiber technology. As sensor component, fiber grating also possesses other special functions. For example, high ability of resisting electromagnetism disturb, small size and weight, high temperature-proof, high ability of multiplex, being liable to connect with fiber, low loss, good spectrum characteristic, erosion-proof, high sensitivity, being liable to deform and so on. At present, the sensor that adopts FBG (fiber Bragg grating) as sensor components has become the main stream of development and cultivation. Pressure is the direct cause of the drifting of the Bragg wavelength of the grating, so research on the FBG pressure sensing character in-depth is important to the FBG sensing technology. The design is on the basis of understanding of FBG sensing elements; explore the using of FBG pressure character, so research on the FBG pressure sensing character in-depth is important to the FBG sensing technology. Bring forward a package project that can be used and the text.

光纤温度传感器简介

光纤温度传感器 摘要:本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势,分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理,最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。 关键字:光纤传感温度应用 1引言 在科研和生产中,有很多温度测量问题,传统的温度传感器有热电偶,热电阻温度传感器,热敏电阻温度传感器,半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比,它具有灵敏度高,体积小,质量轻,易弯曲,不产生电磁干扰,不受电磁干扰,抗腐蚀性好等等优点,特别适用于易燃,易爆,空间狭窄和具有腐蚀性强的气体,液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。 2光纤温度传感器分类 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制,振幅调制,偏振态调制;按工作原理分,光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体,而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。传光型与传感型相比,虽然灵敏度稍差,但可靠性高,实用的传感器大多是这种类型。 目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。 2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码,具有传统传感器不可比拟的优势,近年来光纤光栅成为发展最为迅速,最具代表性的光纤无源器件之一,已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。 光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅,成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应,其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器,满足如下光学方程: =2nA 式中:为Bragg波长,A为光栅周期,n为光纤模式的有效折射率。 长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅,其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视,是一种新型的宽带带阻滤波器。 光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理,以获得测量结果,传输光纤用于传输光信号,光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光,如图1所示:

光纤光栅传感器及其发展趋势

【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来,光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述,接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用,然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析,最后是小结和展望。 【关键词】传感器;光纤光栅传感器;光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应,使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化,在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型:一是利用光纤布喇格光栅(FBG )背向反射特征制作的传感器;二是利用长周期光纤光栅(LPG )同向透射特征制作的传感器;三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化,其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示,当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射,其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中,eff n 为有效折射率,Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的,因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下,光

光纤温度传感器

光纤温度传感器的种类很多,除了以上所介绍的荧光和分布式光纤温度传感器外,还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等等,由于其种类很多,应用发展也很广泛,例如,应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。 分布式光纤温度传感器在电力系统行业的发展 光纤温度传感器在电力系统的应用中得到发展,由于电力电缆温度、高压配电设备内部温度、发电厂环境的温度等,都需要使用光纤传感器进行测量,因此就促进了光纤传感器的不断完善和发展。尤其是分布式光纤温度传感器得到了改善,经过在电力系统行业的应用,从而使其接收信号和处理检测系统的能力都得到了提升。 光纤光栅温度传感器在建筑业的发展 光纤光栅温度传感器由于其较高的分辨率和测量范围广泛等优点,被广泛应用于建筑业温度测量工作中。西方很多发达国家都已普遍采用此系统,进行建筑物的温度、位移等安全指标的测试工作,例如,美国墨西哥使用光栅温度传感器,对高速公路上桥梁的温度进行检测。通过广泛使用,光栅温度传感器所存在的问题,如:交叉敏感的消除、光纤光栅的封装等都得到了解决,因而此系统得到了完善。 航空航天业中的应用发展 航空航天业使用传感器的频率较高,包括对飞行器的压力、温度、燃料等各方面的检测,都需要使用光纤温度传感器进行检测,并且所使用到的传感器数量多达百个,所以对传感器的大小和重量要求很严

格。因此,基于航空航天业对传感器的要求,光纤温度传感器的体积、重量规格方面都经过了调整。2222222分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器,通常用在检测空间温度分布的系统,其原理最早于1981年提出,后随着科学家的实验研究,最终研制出了此项技术。这种传感器原理发展是基于三种传感器的研究,分别是瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射。在瑞利散射(OTDR)和布里渊散射(OTDR)的研究已取得了很大的进展,因此未来的传感器研究热点,将放在对基于喇曼散射(OTDR)的新分布式光纤传感器的研究上。最近,土耳其Gunes Yilmaz开发出了一种分布式光纤温度传感器,此传感器的温度分辨率是1℃,空间分辨率是1.23m。在我国也有很多大学展开了对分布式光纤温度传感器的研究,例如,中国计量大学1997年发明出煤矿温度检测的传感器系统,其检测温度为-49℃~150℃,温度分辨率为0.1℃。 光纤荧光温度传感器 当前最热门的研究,就是针对光纤荧光温度传感器,其是利用荧光的材料会发光的特性,来检测发光区域的温度。这种荧光的材料通常在受到紫外线或红外线的刺激时,就会出现发光的情况,发射出的光参数和温度是有着必然联系的,因此可以通过检测荧光强度来测试温度。世界各国的高校都设计过此类传感器,例如,韩国汉城大学发现10cm的双掺杂光纤,在其915nm的地方所反射出的荧光强度所对应的温度指数是20℃~290℃;我国清华大学借用半导体GaAs原料来吸收光,进而以光随温度改变的原理,研发出了温度范围是0℃~

光纤光栅传感系统的现状及发展趋势

光纤光栅传感系统的现状及发展趋势 自1978年,加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来,光纤光栅的制造技术不断完善,人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低,适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外,还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下,使各部分达到最优匹配,满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍,对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明,重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术,对信号常用的信号解调方法进行了总结,最后,提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1 光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量,光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息,外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中,由于传感量是对波长编码,光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性,以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED,LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽,可达到几十个纳米,有较高的可靠性,但光源的输出功率较低,且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差(4×10-4/℃)。因此,这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用,随着光通信中对通信容量和速度的要

光纤光栅传感技术的发展及应用

光纤光栅传感技术的发展及应用 单嵩 北京工业大学应用数理学院 000612班 指导教师:王丽 摘要本文综述了当前国内外对光纤光栅传感器的研究历史和现状,论述了光纤光栅传感器的工作原理,介绍了传感器在响应压力方面的研究,并讨论了光纤光栅传感器所面临的问题。 关键词光纤,光栅,传感器 一、引言 光纤通信技术在过去二十年里有了惊人的发展,它的出现,使得全球电信网络上的传输需求以指数速率增长。而新一代光纤技术——光纤光栅将在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纤非线性光学性质时偶尔地制成了最初的光纤光栅并发现掺锗石英光纤紫外光敏特性。所谓光敏性是指光纤材料在一定波长的强光照射下,其折射率会发生永久变化。而折射率沿光纤按一定规律变化就可形成各种光纤光栅。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了侧面写入的光纤光栅,使得制作各种波长的光纤光栅成为可能。光纤光栅作为一种全光器件,其主要优点是低损耗、易于与其他光纤耦合、偏振不敏感,温度系数低、容易封装。根据光纤周期的不同,光纤光栅可以被分为短周期光纤光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPFG)。短周期光栅又称为Bragg光栅,它的周期尺寸可以与工作波长相比拟,一般约为0.5μm 。Bragg光栅可以有很多种应用,从滤波器、光分插复用器到色散补偿器。长周期光栅又称为传输光栅,它的周期要比工作波长大得多,从几百微米直到几个豪米。长周期光纤光栅的工作原理与Bragg光栅有所不同。在光纤Bragg光栅中,对于适当的波长,纤芯中前向传播模式的能量会被耦合进入后向传播模式中。而在长周期光栅中,纤芯中前向传播模式的能量将会被耦合到包层中前向传播的其它模式中。这些包层中的模式都是极高损耗的,随着它们沿光纤的传播,其能量迅速衰减。目前长周期光栅主要被用作滤波器及在掺铒光纤放大器中补偿不平坦的增益谱。 目前,围绕光纤光栅技术的研究主要分为二个方向: 一是光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究;二是关于光纤光栅应用技术的研究,由于光纤光栅本质上是一个带阻滤波器,因此在光纤通信和光纤传感方面应用广泛。光纤传感是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的,以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤,具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰,也不怕电磁干扰,易被各种光探测器接受,可方便地进行光电或电光转换。光纤工作频带宽,动态范围大,是一种优良的低损耗传输线和优良的敏感元件。因此,光纤传感技术一问世就受到极大重视,成为传感技术的先导,在某些重要领域,如惯性导航、军用告警、智能材料结构、测试与控制、机器人及信息处理等方面得到了广泛的应用。 二、光纤光栅传感技术原理 1、光纤Bragg 光栅的应变响应机理

光纤光栅传感技术发展综述

Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105 Published Online September 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/533283589.html,/journal/oe https://https://www.wendangku.net/doc/533283589.html,/10.12677/oe.2018.83014 Development in Fiber Bragg Grating Sensing Technology Shanchao Jiang School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018 Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology. Keywords FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology 光纤光栅传感技术发展综述 蒋善超 盐城工学院电气工程学院,江苏盐城 收稿日期:2018年8月21日;录用日期:2018年9月6日;发布日期:2018年9月13日 摘要 为促进光纤光栅传感技术的发展,本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状,为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。 关键词 光纤光栅,光谱分析,检测元件,复用技术

光纤光栅传感器的封装技术

光纤光栅传感器的封装技术

摘要 光纤布拉格光栅传感器是一种新型的光纤传感器,它利用的是布拉格波长对温度、应变敏感的原理。与传统的电学传感器相比,它还具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、复用性强等优点。正因为这些独特的优点,光纤布拉格光栅越来越多的被应用到大型结构、电力、安防、石化、医学、矿井、军事等领域,其中,最引人瞩目的是光纤光栅温度传感器在长距离测温系统中的应用。随着中国物联网发展战略的实施,光纤传感领域的研究和产业化面临着巨大的机遇和挑战。 本文综述了光纤光栅温度传感器的传感原理,光纤光栅传感器封装技术分类,分为保护性封装,敏化封装,以及补偿性封装,列举了三个封装技术的实例,对他们的封装结构,封装中的技术工艺,以及封装后的一些参数进行了介绍。

目录 1、绪论 (4) 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 (4) 2、光纤光栅传感原理 (5) 2.1光纤光栅传感器的结构和原理 (5) 2.2光纤光栅传感技术的类型简介 (6) 3.光纤光栅传感器封装技术分类 (7) 3.1保护性封装 (7) 3.2 敏化封装 (8) 3.3补偿性封装 (8) 4.封装技术实例 (9) 4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装 (9) 4.2Polyimide(聚酰亚胺)光纤光栅温度传感器的封装 (12) 4.3镀铜光纤光栅的全金属封装 (13) 参考文献 (16)

1、绪论 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 光纤光栅是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后,使纤芯折射率沿轴向,呈现周期性规律分布的物理结构,其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)光滤波器或反射镜。通过人为改变光纤光栅结构的分布,我们可以主动控制光在光纤中的传播行为,光纤光栅结构的多样化可以使其光谱响应特显得非常丰富。同时,光纤光栅具有结构简单、器件微型化、带宽范围广、耦合性好、附加损耗小、可与其他光纤器件融成一体等特点,除此之外光纤本身具有轻质、电绝缘、柔韧、抗电磁干扰、径细、化学稳定等优点,使得光纤光栅在光纤传感、全光通信、光信息处理等领域具有巨大的应用前景。 光纤光栅传感器是以布拉格条件为基础,以光纤光栅为载体,发展起来的一种本征波长调制型传感器。光纤光栅传感器是利用透射或反射谱波长峰值的变化,进而实现对物理量的测量。透射(反射)谱波长与光栅纤芯的有效折射率及折射率调制周期密切相关。当外界应变与温度发生变化时,光纤光栅的纤芯折射率与折射率调制周期就随之变化,然后影响光纤光栅的透射(反射)谱峰值波长的移动,通过测量Bragg峰值波长的移动量,实现对外界物理量变化的测量,上述即是光纤光栅传感器的基本工作原理。光纤光栅传感器可以实现对应变、温度、压力、电流、振动等基本物理量测量。 利用光纤光栅进行传感,需要适当的封装技术,增加其敏感度,以利于检测解调。在某些情况下,我们不希望温度仁或应变、压力)对布拉格波长产生影响,就要对光栅进行减敏封装,降低它对温度仁或应变、压力)的灵敏度。这两种技术统称敏化技术。目前,一些敏化技术已经在实际中得到应用,但还有相当一部分停留在实验室阶段。 利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。温度和应变都能引起布拉格波长的漂移,从单一的波长漂移量,我们无法区分其中哪些是温度变化引起的,哪些是应变引起的。这给我们出了很大的难题。要实现光纤光栅传感器的实用化,就必须采用各种封装技术,或者剔除温度的影响,或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。 光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中,但由于光纤纤细柔软,容易被损坏,因此需要采用一些封装方法,保护光栅。在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要,封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用,对光纤光栅封装技术进行研究,设计更好的封装结构和工艺尤为重要。

新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力

第28卷 第8期 2006年8月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNI VERSITY OF TECHNOLOGY Vol.28 No.8 Aug.2006 新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力 刘胜春,姜德生,李 盛 (武汉理工大学光纤传感技术研究中心,武汉430070) 摘 要: 介绍了一种新型的基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统,并与传统的基于压电式加速度传感器的索力测试系统进行了对比试验研究。结果表明,二者的测试精度相差不大,由于压电式加速度传感器的固有缺陷无法实现索力的远程监测,只适用于索力的定期监测;而基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统能够对索力进行实时监测。 关键词: 斜拉桥; 索力测试; 传感器; 光纤光栅 中图分类号: TH 74文献标志码: A 文章编号:167124431(2006)0820110203 Application of Optic Fiber Grating Vibration Sensor to Cable Tension Measuring of Cable 2stayed Bridges LI U Sheng 2chun,JIANG De 2sheng ,LI Sheng (F iber Optical Sensing Technology Research Center ,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China) Abstract: A new cable tension measuring system based on optic fiber grating vibration sensor is introduced.For testing its performance,we made a exper iment in which two cable tensions measuring system,the forenamed one and t he ot her one based on piezoelectr icity accelerometer,were both used to measure the tension of a stayed cable as the same time.The result showed that t he precision of the two methods had little discrepancy.On account of the inherent limitation of the inherent limitation of the piezoelectr icit y accelerometer,t he system based on piezoelectricity accelerometer usually applies to the inspect of the cable tension,but the system based on optic fiber grating vibr at ion sensor can apply to the real time monitoring of the cable tension as well. Key wor ds: cable 2stayed bridges; cable tension measuring; fiber Br agg grating; vibration sensor 收稿日期:2006203211. 基金项目:国家自然科学基金(50179029). 作者简介:刘胜春(19732),博士生,讲师.E 2mail:liusc@https://www.wendangku.net/doc/533283589.html, 斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分,斜拉桥桥跨结构的重量和桥上的活载绝大部分或全部都通过斜拉索传递到塔柱上,索力是衡量斜拉桥健康状态的重要参数之一。因此,若能在线实时监测斜拉所的索力,不仅能为斜拉桥系统的维护、保养提供可靠的依据,而且可以及时处理可能出现的故障,避免事故的发生,同时还可以积累有用的参考依据。 在工程实践中,频率法是应用最为广泛的索力测试方法。然而,由于电信号无法远距离准确传输的固有缺点,当前应用的基于压电式加速度传感器的频率法还无法满足索力监测的要求,只能用来进行索力检测。针对这一弱点,作者采用了中心研制的光纤光栅振动传感器来代替压电式加速度传感器并重新设计了索力测试系统。文章将介绍这一新型的索力测试系统,并与传统的频率法索力测试系统作对比试验研究。1 索力与频率的关系 在频率法中,以环境振动或者强迫激励拉索,传感器记下时程数据,并由此识别出索的振动频率。由拉

光纤光栅在线监测系统

光纤光栅在线监测系统 FBG-9900光纤光栅在线监测系统

引言 光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的,以光波为载体,光纤为媒介,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒介的光纤,具有一系列独特的,其它载体和媒介难以相比的有点。具有本身不带电,体积小,质量轻,易弯曲,可靠性好,测量精密度高,抗电磁干扰、抗雷击等优点。能实现对温度、湿度、压力、应变、振动,位移及加速度等参数的精确测量。特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制,环境恶劣等场合下使用。因此,光纤传感技术一问世就受到极大重视,几乎各个领域都在进行研究和应用,产业得到蓬勃发展。 系统介绍 北京金石智信科技有限公司研发的光纤光栅在线监测系统QTSD-CF01,采用光放大器(OA)和波分复用(WDM)技术以增加传输距离和比特率,并结合公司独特的光栅切趾技术,使解调仪和光纤光栅传感器的精度和可靠性处于国际领先水平。另外本公司研发的光纤光栅在线监测系统,已通过国家消防认证和ISO9001质量管理认证。 系统原理 光纤光栅传感技术隶属光纤传感技术的一种,它是通过紫外激光照射位于光纤上方的相位掩模板后,在光纤内部形成的一段长为10-15mm的栅状结构,因而被称为“光纤光栅”(Fiber Bragg Grating,FBG)。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性:即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化,用紫外激光直接写入法在单模光纤(直径为0.125 mm~0.25 mm)的纤芯内形成的空间相位光栅,其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜,制作完成后的光纤光栅相当于在普通光纤中形成了一段长度为10 mm左右的敏感区,该区域波长在温度、应变等作用下发生偏移,通过测量中心波长的偏移,可以准确感测温度、压力、应变及位移的变化。

FBG光纤光栅的应变和温度传感特性研究与实验验证

光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1) 一光纤光栅传感器理论基础 (1) 1 光纤光栅应力测量 (1) 2 光纤光栅温度测量 (2) 3 光纤光栅压力测量 (3) 二光纤光栅传感器增敏与封装 (4) 1 光纤光栅的应力增敏 (4) 2 光纤光栅的温度增敏 (5) 3 光纤光栅的温度减敏 (5) 4 嵌入式敏化与封装 (6) 5 粘敷式敏化与封装 (7) 三光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9) 1 参考光纤光栅法 (10) 2 双光栅矩阵运算法 (10) 3 FBG与LPFG混合法 (11) 4 不同包层直径熔接法 (12) 5 啁啾光栅法 (12) 光纤光栅的应力和温度传感特性研究 一光纤光栅传感器理论基础 1 光纤光栅应力测量 由耦合模理论可知,光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为:

2B eff n λ=Λ (1) 式中:eff n 为导模的有效折射率,Λ为光栅的固有周期。 当波长满足布拉格条件式(1)时,入射光将被光纤光栅反射回去。 由公式(1)可知,光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。FBG 对于应力和温度都是很敏感的,应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ,温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。 当光纤光栅仅受应力作用时,光纤光栅的折射率和周期发生变化,引起中心反射波长B λ移动,因此有: eff B B eff n n λλ???Λ= + Λ (2) 式中:eff n ?为折射率的变化,?Λ为光栅周期的变化。 光栅产生应力时的折射率变化: ()212111 12 eff eff e eff n n P P P n μμεε?=---=-???? (3) 式中: ()2 1211112 e ef f P n P P μμ= --???? (4) ε是轴向应力,μ是纤芯材料的泊松比,11P 、12P 是弹光系数,e P 是有效弹 光系数。 假设光纤光栅是绝对均匀的,也就是说,光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。 L L ε?Λ?==Λ (5) 所以公式(2)可写成: ()1B e B P λελ?=- (6) 公式(6)就是裸光纤光栅应力测量的一般计算公式。 2 光纤光栅温度测量 当FBG 不受应力作用,温度变化引起中心反射波长B λ移动可表示为:

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