Bragg光栅传感器

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总结与展望
fff形Bragg光纤光栅是近年来研究的一种新型的技术， 由于结构的非圆对称性，纤芯离包层一侧较普通光栅近， 于是外界与光栅的作用更强，使得fff形Bragg光纤光栅具 有一些独特的性质，如对外部折射率敏感特性，对弯曲的 敏感特性等。因此，fff形Bragg光纤光栅为传感领域的应 用提出了新思路，但由于它与常规单模光纤熔接困难，耦 合损耗较大，而且设备昂贵，制造困难，一定程度上限制 了它的应用范围和发展。
图7 Bragg波长相对漂移量与温度的关系曲线 Tyson L.Lowfffer et
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fff形Bragg光纤光栅传感器
弯曲及相关传感测量
弯曲敏感—本征特性；不需要任何的附加结构或者封装，传感头尺寸 小，非常适合应用在智能材料中。
图 光 栅 波 长 漂 移 与 温 度 、 曲 率 关 系 曲 线 8
Bragg波长相对漂移量为：
S B 1 kz K ' B
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fff形Bragg光纤光栅
• fff形Bragg光纤光栅特性
– 弯曲敏感特性
图4 Bragg波长相对漂移量与曲率的关系曲线
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fff形Bragg光纤光栅传感器
气体、液体浓度传感器
对外界折射率的敏感特性，可直接作为气体、液体等浓度的传感元件。
Institute of Lightwave Technology Xiamen University
Bragg光栅传感器
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目录
引言 光纤 Bragg光纤光栅 Bragg光纤光栅传感器 总结与展望

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引言
光纤光栅技术发展概况
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ห้องสมุดไป่ตู้ 光纤
• 横截面像英文大写字母fff的光纤 • 制作方法 –直接研磨常规单模光纤； –研磨常规单模光纤预制棒再拉丝。
实验测量原理图 基于fff-FBG线位移测量 周金龙
图9图10 光纤光栅位移传感器 实测Bragg波长与线位移量的关系曲线
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fff形Bragg光纤光栅传感器
弯曲及相关传感测量
– 结合温度补偿技术，就可以将这种方案具体应用在桥梁、公路的 铺层滑移和裂缝监测中
基于fff-FBG线位移测量 周金龙
图11 (a)铺层滑移监测示意图；
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fff形Bragg光纤光栅
• fff形Bragg光纤光栅特性
– 弯曲敏感特性
弯曲在纤芯产生的平均应变为：
d 1 d cos arcsin cos 3arcsin r 1 r 3 r cos K 2arcsin d sin(2arcsin d ) r r
图1 fff形光纤的横截面示意图
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Bragg光纤光栅
• 制作方法
– 在fff-shapefff Fiber中刻写光栅 – 研磨Bragg光栅
图2 fff-FBG制作方法
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fff形Bragg光纤光栅
• 普通Bragg光栅传感原理
B 2neff
neff 是纤芯有效折射率， 是光栅周期
弹性形变效应使光栅 的周期伸长或缩短
纯水/不同浓度的 NaCl溶液
浙大 沈乐等 图6 NaCl溶液浓度和相对波长偏移量的关系 图5 NaCl溶液浓度对fff型Bragg光栅波长的影响
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高温传感器
普通FBG传感器 （200℃） 提高热稳定性的光栅传感器 （800℃） 红外飞秒激光器刻写、掺杂化学成分 （1100℃）
n r为纤芯半径， co和 nex分别为fff形Bragg光栅的纤芯折射率和外界
接触物质的折射率， 为自由空间波长
外部折射 率改变 归一化频 率 V 变化 导模有效折 射率改变 中心波长 发生改变
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fff形Bragg光纤光栅
• fff形Bragg光纤光栅特性
– 弯曲敏感特性
图3 fff形光纤弯曲示意图 (a)朝向侧平面弯曲；(b)背向侧平面弯曲；(c)参考坐标系
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Thank you!!
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温度、应变等外 界环境发生变化
弹光效应使光纤的折 射率发生变化
光栅中心反射波长 随环境条件而改变
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fff形Bragg光纤光栅
• fff形Bragg光纤光栅特性
– 外部折射率敏感特性 B 2neff
光纤Bragg光栅导模的有效折射率与归一化频率 V 有关
V
r nco 2 nex 2
(b)裂缝监测示意图
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fff形Bragg光纤光栅传感器
弯曲及相关传感测量
– 光栅波长相对漂移量与加速度成线性关系：
S kz Km( L l / 2) a ka a EI
– 优点是传感头体积小，结构简单。
图12 基于fff-FBG的加速度计 (a)结构示意图；(b)实物图
基于fff-FBG加速度测量 周金龙 图13 光栅波长漂移量与加速度的关系曲线
在fffshapeffffiber中刻写光栅是纤芯有效折射率是光栅周期eff温度应变等外界环境发生变化弹性形变效应使光栅的周期伸长或缩短弹光效应使光纤的折射率发生变化光栅中心反射波长随环境条件而改变coex光纤bragg光栅导模的有效折射率与归一化频率有关分别为fff形bragg光栅的纤芯折射率和外界接触物质的折射率为自由空间波长外部折射外部折射率改变率改变归一化频归一化频变化变化导模有效折导模有效折射率改变射率改变中心波长中心波长发生改变发生改变弯曲敏感特性弯曲在纤芯产生的平均应变为
基于fff-FBG温度弯曲同时测量
F M Araujo et
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fff形Bragg光纤光栅传感器
弯曲及相关传感测量
– 假设fff形光纤弯曲时，参与的各个部分曲率半径相同，即发生等 弯曲形变，线位移与曲率半径满足 L[1 sinc( L )] ； D 2 – 可直接用光纤光栅测得较大的线位移量，系统结构简单可靠