光纤光栅传感器
光栅传感器原理
光栅传感器原理光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。
光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/毫米。
由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。
传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。
标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。
这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。
传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。
这种传感器的优点是量程大和精度高。
光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。
在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。
光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。
所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。
而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件，它们都具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅），二是透射光栅（也称为长周期光栅）。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅；其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。
目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。
在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。
光纤光栅传感器技术指标
光纤光栅传感器技术指标光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅原理的传感器，通过测量光纤光栅的光谱特性变化来实现对环境参数的监测和测量。
光纤光栅传感器具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰等优点，在工业、航空航天、能源等领域有着广泛的应用。
1. 分辨率光纤光栅传感器的分辨率是指传感器能够分辨出的最小参数变化。
通常用波长分辨率来表示，单位为纳米。
分辨率越高，传感器能够检测到更小的参数变化，具有更高的精度。
2. 灵敏度光纤光栅传感器的灵敏度是指传感器输出信号对参数变化的响应程度。
灵敏度越高，传感器能够对参数变化产生更大的信号响应，具有更好的测量能力。
3. 动态范围光纤光栅传感器的动态范围是指传感器能够测量的参数范围。
传感器的动态范围应该能够覆盖实际应用中可能出现的参数变化范围，以保证测量结果的准确性。
4. 响应时间光纤光栅传感器的响应时间是指传感器对参数变化的响应速度。
响应时间短的传感器能够及时捕捉到参数变化，并及时输出相应的信号。
5. 温度稳定性光纤光栅传感器的温度稳定性是指传感器在不同温度条件下测量结果的稳定性。
传感器的温度稳定性应该能够适应实际应用环境中的温度变化，以保证测量结果的准确性和可靠性。
6. 抗电磁干扰能力光纤光栅传感器应具备良好的抗电磁干扰能力，以保证传感器在电磁干扰环境下的正常工作。
传感器应能够有效屏蔽外界电磁干扰，并输出准确可靠的测量结果。
7. 可靠性光纤光栅传感器的可靠性是指传感器在长时间工作状态下的稳定性和可靠性。
传感器应具备良好的抗老化能力，能够长期稳定地工作，以保证测量结果的准确性和稳定性。
8. 环境适应性光纤光栅传感器应具备良好的环境适应性，能够适应不同环境条件下的工作要求。
传感器应具备良好的防水、防尘、耐腐蚀等性能，以保证传感器在恶劣环境中的正常工作。
9. 尺寸和重量光纤光栅传感器应具备小尺寸和轻量化的特点，以便于安装和集成到各种应用设备中。
10. 成本效益光纤光栅传感器的成本效益是指传感器在实际应用中所带来的经济效益和性价比。
光纤光栅传感器
光纤光栅监测报警系统结构示意图
使
用
FBG探头
连接光缆
现
场
光连接器
控 显示仪表 制 室 内
计算机
调制解调器
传输光缆
3 、光纤布喇格光栅解调原理
光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹 配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅检测信号的 基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与 解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检 测到的信号．
当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到 的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到 的光强是检测光纤光栅 FBG1和匹配光纤光栅 FBG2两个光谱函数的卷积。随着 FBG1上的微 扰，在 FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定 光强度的光信号。
F-P腔波长滤波解调原理
法布里—珀罗腔(F-P腔)的光学原理是多光束干
* 光纤光栅传感器
• 光纤光栅传感器(FBG)是利用 Bragg波长 对温度、应力的敏感特性而制成的一种 新型的光纤传感器。
光纤光栅工作原理
感光折射率 n 包层折射率 n2
包层
芯层折射率 n1
λ1 λ2 …λn
λ2 …λn
Λ
λ1
芯层
相位掩模板
紫外掩模写入法
+1级
-1级
包层 芯层
1 、光纤布喇格光栅原理
对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期 函数的傅里叶展开可以得到光栅区的实际折射 率分布为
该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它 给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅 特性的基础。
2 、光纤布喇格光栅传感原理 光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式
给出：
这里λUV是紫外光源波长， θ是两相干光束之间的 夹角。
光纤传感器结构原理及分类
光纤传感器结构原理及分类光纤传感器是利用光信号进行检测和测量的传感器。
它利用光纤的特性，将光信号转化为电信号，通过电信号来实现对被监测对象的检测和测量。
光纤传感器具有很多优点，例如高灵敏度、宽测量范围、抗干扰性强等。
在实际应用中广泛用于工业控制、环境监测、医疗诊断等领域。
1.光源：光源是将电信号转化为光信号的部分，一般采用半导体激光器或发光二极管。
光源发出的光信号经过光纤传输到被测量的目标位置。
2.光纤：光纤是将光信号从光源传输到被测量的目标位置的媒介，一般采用光纤束或光纤缆。
光纤传输中的光信号会受到光纤本身的损耗和传播时延影响。
3.光纤接收器：光纤接收器是将光信号转化为电信号的部分，一般采用光电二极管或光电探测器。
光纤接收器接收到光信号后会将其转化为电信号，并经过信号处理之后得到最终的测量结果。
根据测量原理和应用领域的不同，光纤传感器可以分为多种不同的类型，包括：1.光纤光栅传感器：利用光纤中的光栅结构来实现对光信号的测量和检测。
根据光栅的不同形式，可以分为布拉格光栅传感器、光栅光纤传感器等。
2.光纤干涉传感器：利用光纤中的光干涉效应来实现对光信号的测量和检测。
根据干涉原理的不同，可以分为菲涅尔光纤传感器、迈可逊干涉光纤传感器等。
3.光纤拉曼传感器：利用光纤中的拉曼散射效应来实现对被测量物质的测量和分析。
光纤拉曼传感器可以用于分析物质的组分、浓度、温度等。
4.光纤陀螺仪：利用光纤中的圆坐标光相互作用效应来实现测量物体的旋转和角速度等。
光纤陀螺仪被广泛应用于航空航天、海洋导航等领域。
5.光纤压力传感器：利用光纤中光纤的变形来测量压力的传感器。
光纤压力传感器可以用于测量各种压力、加力、扭矩等。
6.光纤温度传感器：利用光纤中光栅或光干涉效应对温度进行测量和检测。
光纤温度传感器在工业自动化、火力发电等领域有着广泛的应用。
综上所述，光纤传感器结构原理与分类的了解对于实际应用中光纤传感器的选择和设计具有重要意义。
光纤光栅传感器
温度传感
温度传感
光纤光栅传感器能够实时监测温度变化，广 泛应用于电力、能源、环保等领域的温度监 控。通过将光纤光栅传感器安装在发热设备 或热流通道中，可以实时监测温度，实现设 备的预防性维护和安全控制。
温度传感特点
光纤光栅传感器具有测温范围广、响应速度 快、精度高、稳定性好等特点，能够实现高 精度的温度测量和实时监测。
航空航天
用于监测飞机和航天器的结构健康状况，如机翼、 机身等关键部位的温度、应变和振动等参数。
智能交通
用于监测高速公路、桥梁和隧道等基础设施的结 构健康状况，以及车辆速度、流量等交通参数。
06 光纤光栅传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器
总结词
电容式传感器利用电场感应原理，通过测量电容器极板 间距离的变化来检测位移或形变。
分布式测量
长距离传输
光纤光栅传感器可以实现分布式测量，即 在同一条光纤上布置多个光栅，实现对多 点同时监测。
光纤光栅传感器以光纤为传输媒介，可实 现远距离信号传输，适用于长距离、大规 模监测系统。
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抗电磁干扰
光纤光栅传感器采用光信号传输，不 受电磁干扰的影响，特别适合在强电 磁场环境下工作。这使得光纤光栅传 感器在电力、航空航天、军事等领域 具有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的抗电磁干扰特性使 其在复杂环境中能够稳定工作，提高 了测量的可靠性和准确性。
耐腐蚀与高温
光纤光栅传感器采用石英光纤作为传输介质，具有优良的化 学稳定性和耐腐蚀性，能够在恶劣的化学环境下正常工作。 同时，石英光纤的熔点高达1700℃，使得光纤光栅传感器能 够在高温环境下进行测量。
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器的原理
光纤光栅传感器的原理
光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅作为传感元件的传感器。
通过在光纤中引入周期性的折射率调制结构，形成光栅，可以实现对光的干涉和耦合。
光纤光栅传感器的工作原理是利用光的干涉效应。
当入射光经过光纤光栅时，会发生光的折射、反射和散射现象，这些现象会改变光的传播状态和幅度。
通过测量入射光和反射光之间的干涉效应，可以间接地获取待测参数的信息。
光纤光栅传感器的工作过程如下：首先，入射光进入光纤光栅，当入射光与光栅中的周期性结构相互作用时，会发生光的耦合和反射。
然后，经过光栅调制后的反射光将重新耦合回光纤中，并沿光纤传输到接收器。
最后，接收器检测到反射光的干涉效应，并将其转化为电信号。
光纤光栅传感器具有很多优点，如高精度、高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强等。
它被广泛应用于测量温度、压力、应变、振动等物理量，以及检测液体浓度、气体成分等化学参数。
在工业自动化、能源、医疗、环境监测等领域有着重要的应用价值。
光纤传感技术课件：光纤光栅传感器
光纤光栅传感器
直接测量掺锗光纤紫外吸收谱相对较为困难， 尤其是测 量244 nm处的吸收谱。 一般测量光纤的吸收谱是采用反逆技 术， 在被测光纤的光注入端和输出端都放上单色仪， 测量其 频谱。 用这种方法可以测得掺锗3%（摩尔分数）的玻璃在 325 nm处的吸收峰约为17 dB/m。 考虑到244 nm带的吸收率 是325 nm带的1000倍， 可以认为在244 nm处的衰减约为 17 000 dB/m。 故被测光纤的长度不能大于1 cm， 否则难以用 反逆技术测量。
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光纤光栅传感器
随着光纤布拉格光栅（FBG）制作工艺的不断提高， 特 别是FBG自动化生产平台的建立， 制作出高性能、 低成本的 可靠FBG已成为可能。 同时， 近几年对波长解调技术的深入 研究和不断成熟， 已经扩大了光纤布拉格光栅传感器的应用， 并为只能传感这一新思路创造了一个新的机遇。 智能结构监 测， 智能油井和管道， 智能土木工程建筑， 以及智能航天、 航海传感都需要高质量、 低成本、 稳定性好、 传感特性精密 的光学传感器， FBG传感器阵列由于其波长编码、 可同时测 量多个物理量（温度、 压力、 应力等）以及一路光纤上应用 波分复用技术等自身的优点， 在上述领域已经得到了广泛关 注。
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光纤光栅传感器
8.2
所谓的光敏性， 就是指当材料被外部光照射时， 引起 该材料物理或化学性的暂时或永久性变化的一种效应。 光纤 的光敏性通常是指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变 的特性。 在一定条件下， 变化的大小与光强成线性关系， 并 可保存下来。
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光纤光栅传感器
光纤的光敏性首先于1978年通过在掺锗光纤内形成驻波观 察到。 在那个实验中， 发现了两束波长相同但反向传输的氩 离子激光（488 nm或514.5 nm）在掺锗光纤纤芯中激起了周期 性的折射率变化。 此后， 做了许多工作确定这一激光折射率 变化的原因。 Yuen的实验指出， 光纤中的光敏现象与双光子 吸收过程有联系， 确定掺锗光纤对蓝绿光的光敏性与244 nm 处吸收响应的双光子吸收作用有关。
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器概述光纤光栅传感器是一种基于光纤传输和光栅技术的传感器。
它利用光栅的特性来测量光纤中的光信号，从而实现对物理量的测量和监测。
光纤光栅传感器具有高精度、长寿命、抗干扰等特点，在许多领域中广泛应用。
工作原理光纤光栅传感器的工作原理基于布拉格光栅的特性。
布拉格光栅是一种光学衍射结构，它由一系列等间距的折射率变化区域组成。
当入射光波与光栅相互作用时，会发生光衍射现象。
根据不同的入射角度和波长，只有特定的波长会在特定的入射角度下被反射回来。
这个特定波长就是布拉格波长。
在光纤光栅传感器中，通过将光纤中一段长度的折射率周期性变化，形成一个布拉格光栅。
当光信号从光纤中传输经过光栅区域时，会发生衍射现象，反射出特定波长的光信号。
通过测量这个特定波长的光信号的强度变化，可以得到物理量的信息。
应用领域光纤光栅传感器在许多领域中得到广泛应用。
以下是一些典型的应用领域：1. 温度测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随温度的变化来实现温度的测量。
这种传感器具有高精度、快速响应等优点，在工业过程控制、环境监测等方面应用广泛。
2. 应变测量：光纤光栅传感器可以通过测量光纤中的布拉格波长随应变的变化来实现应变的测量。
由于光纤的柔性和高强度特性，这种传感器在结构健康监测、材料力学测试等领域中具有广泛的应用前景。
3. 液位测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随液位的变化来实现液位的测量。
这种传感器具有高灵敏度、非接触式测量等优点，适用于液体储罐、水池等液位监测场景。
4. 压力测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随压力的变化来实现压力的测量。
这种传感器具有高精度、快速响应等优点，适用于工业流体控制、汽车发动机监测等领域。
总结光纤光栅传感器是一种基于光纤传输和光栅技术的传感器，利用光栅的特性来测量光纤中的光信号，实现对物理量的测量和监测。
它具有高精度、长寿命、抗干扰等优点，在温度测量、应变测量、液位测量、压力测量等领域中得到广泛应用。
光纤光栅传感实验报告
一、实验目的本次实验旨在了解光纤光栅传感技术的基本原理、工作过程以及其在实际应用中的重要性。
通过实验，掌握光纤光栅传感器的制作方法、传感特性以及传感信号的处理技术，为后续研究光纤光栅传感器在相关领域的应用打下基础。
二、实验原理光纤光栅传感器是一种基于光纤布拉格光栅（FBG）原理的新型传感器。
当外界物理量（如温度、应变、压力等）作用于光纤光栅时，光栅的布拉格波长会发生相应的变化，从而实现物理量的测量。
三、实验仪器与材料1. 光纤光栅传感器实验装置2. 光纤光谱分析仪3. 恒温水浴箱4. 拉伸机5. 氧化铝薄膜四、实验步骤1. 光纤光栅传感器的制作（1）将一根单模光纤切割成一定长度，并利用氧化铝薄膜对光纤进行腐蚀，形成光纤光栅。
（2）将制作好的光纤光栅固定在实验装置上，并进行封装。
2. 温度传感实验（1）将光纤光栅传感器放入恒温水浴箱中，分别设置不同的温度，记录光纤光谱分析仪输出的布拉格波长。
（2）分析温度与布拉格波长之间的关系，绘制温度-波长曲线。
3. 应变传感实验（1）将光纤光栅传感器连接到拉伸机上，施加不同大小的应变，记录光纤光谱分析仪输出的布拉格波长。
（2）分析应变与布拉格波长之间的关系，绘制应变-波长曲线。
五、实验结果与分析1. 温度传感实验实验结果显示，随着温度的升高，光纤光栅传感器的布拉格波长发生蓝移，且蓝移量与温度呈线性关系。
通过拟合曲线，得到温度-波长关系式：$$\Delta\lambda = aT + b$$其中，$\Delta\lambda$为布拉格波长变化量，$T$为温度，$a$和$b$为拟合参数。
2. 应变传感实验实验结果显示，随着应变的增大，光纤光栅传感器的布拉格波长发生红移，且红移量与应变呈线性关系。
通过拟合曲线，得到应变-波长关系式：$$\Delta\lambda = c\epsilon + d$$其中，$\Delta\lambda$为布拉格波长变化量，$\epsilon$为应变，$c$和$d$为拟合参数。
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例一、本文概述光纤光栅传感器作为一种先进的光学传感器，近年来在多个领域中都得到了广泛的应用。
本文旨在全面介绍光纤光栅传感器的工作原理及其在各领域中的应用实例。
我们将详细阐述光纤光栅传感器的基本原理，包括其结构、光学特性以及如何实现传感功能。
接着，我们将通过一系列应用实例，展示光纤光栅传感器在结构健康监测、温度测量、压力传感以及安全防护等领域的实际应用。
通过本文的阅读，读者将能够对光纤光栅传感器有一个全面深入的了解，并理解其在现代科技中的重要地位。
二、光纤光栅传感器的基本概念和原理光纤光栅传感器，也被称为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器，是一种基于光纤光栅技术的传感元件。
其基本概念源于光纤中的光栅效应，即当光在光纤中传播时，遇到周期性折射率变化的结构（即光栅），会发生特定波长的反射或透射。
光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅对光的反射作用。
在制造过程中，通过在光纤芯部形成周期性的折射率变化，即形成光栅，当入射光满足布拉格条件时，即入射光的波长等于光栅周期的两倍与光纤有效折射率的乘积时，该波长的光将被反射回来。
当外界环境（如温度、压力、应变等）发生变化时，光纤光栅的周期或折射率会发生变化，从而改变反射光的波长，通过对这些波长变化的检测和分析，就可以实现对环境参数的测量。
光纤光栅传感器具有许多独特的优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围大、响应速度快、能够实现分布式测量等。
这使得它在许多领域，如结构健康监测、航空航天、石油化工、环境监测、医疗设备、智能交通等，都有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的工作原理决定了其可以通过测量光栅反射光的波长变化来感知外界环境的变化。
因此，在实际应用中，通常需要将光纤光栅传感器与光谱分析仪、解调器等设备配合使用，以实现对环境参数的精确测量。
光纤光栅传感器的基本概念和原理为其在各种应用场景中的广泛应用提供了坚实的基础。
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器原理
• 短周期光纤光栅属于反射型带通滤波器，长周
期光纤光栅属于透射型带阻滤波器。当光通过光纤 光栅时，光纤光栅将反射或透射其中以布拉格波长 为中心波长的窄谱分量，图 为布拉格光纤光栅 原理图。
• 对于光纤布拉格光栅，波长λ是入射光通过光纤布
拉格光栅时反射回来的中心波长。Λb=2neffΛ式中 Λ是相位掩模光栅的周期；neff是光纤纤芯针对自 由期光纤光栅）或透射中心波长 （对长周期光纤光栅）与介质折射率有关，在温 度、应变、压强、磁场等一些参数变化时，中心 波长也会随之变化。通过光谱分析仪检测反射或 透射中心波长的变化，就可以间接检测外界环境 参数的变化。。
现阶段对光纤光栅传感器的研究主 要集中在以下几个方面：
• 对传感器本身及进行横向应变检测和高灵敏度、高分辨率、 • • • •
且能同时检测应变和温度变化的传感器研究； 对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标 是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术； 对光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温度 补偿技术、传感器网络技术； 开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发，如航空航 天、航海、土木工程、医学和生物、电力、地震监测、核 工业及化学和环境等行业。 相信在不久的将来光纤光栅传感器势必在很多领域取代传 统的传感器。
结构监测中的应用
• 当前光纤光栅传感器已经广泛地应用于结
构的健康监测中，例如上海卢浦大桥、济 南黄河大桥、江阴长江公路大桥、中关村 金融中心、上海国际网球中心、天津奥体 中心和一些铁路、隧道、飞机等结构健康 检测。
光纤光栅传感器的发展前景
• 光纤光栅传感器与传统的传感器比较具有
的特点是：精度高、灵敏度好、可靠性高、 抗电磁干扰、抗腐蚀、结构简单、尺寸小， 适用于多种场合。
光纤光栅及其传感技术 -回复
光纤光栅及其传感技术-回复光纤光栅及其传感技术：光纤光栅是一种基于光栅化的传感器装置，通过利用光纤的折射率变化对物理量进行测量和监测。
它具有高灵敏度，快速响应以及不受电磁干扰的优点，被广泛应用于光通信、光纤传感以及激光测量等领域。
一、光纤光栅的基本原理光纤光栅是通过在光纤芯中制造周期性的折射率变化来实现的。
当光经过光纤光栅时，光的频率和波长会发生改变，这种改变与光纤中折射率的变化有关。
这种折射率变化可以通过光纤光栅中的折射率阶跃来表示，阶跃的宽度称为Bragg波长。
光纤光栅的制作通常采用两种方法：一是通过光纤外面的光栅介质对光纤进行外加光栅制作，二是通过直接在光纤芯中制造折射率变化。
制作完成后，光纤光栅被固定在一段光纤上，并与光源和光谱仪连接。
二、光纤光栅传感器的工作原理光纤光栅传感器利用光纤光栅对物理量的敏感性进行测量。
当光纤光栅中的物理量发生改变时，如温度、压力、应变等，其折射率也会发生相应的变化。
通过测量光纤光栅中的折射率变化，可以得出物理量的变化。
光纤光栅传感器的工作过程一般包括以下几个步骤：1. 信号光的激发：光源发出的光经过耦合器或直接由光纤输送至光纤光栅，激活传感器。
2. 光的反射与传播：光在光纤光栅中产生反射，并沿原来的路径传播回来。
3. 光谱仪的接收和分析：经过光纤光栅反射后的光进入光谱仪，光谱仪通过分析光线的频率和波长变化，对物理量进行测量。
4. 结果的输出和处理：通过将光谱仪得到的数据进行处理，将测量结果输出到显示设备或计算机上。
三、光纤光栅传感器的应用领域光纤光栅传感器具有许多应用领域，以下是其中几个常见的应用：1. 温度传感：通过测量光纤光栅中的折射率变化，可以得出环境温度的变化。
光纤光栅传感器在温度测量和控制方面具有高精度和高响应速度的优势，被广泛应用于工业过程控制和温度监测。
2. 应变测量：光纤光栅传感器可以用于测量物体受力后的形变，通过测量光纤光栅中的应变，可以获得物体的应变量。
光纤光栅传感器标准
光纤光栅传感器标准光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅技术进行测量的传感器，它能够实现对物体形变、温度、应力等参数的高精度测量。
在各种工业领域和科学研究中都有着广泛的应用。
为了确保光纤光栅传感器的性能和测量精度，制定了一系列的标准来规范其设计、制造和使用。
本文将对光纤光栅传感器标准进行详细介绍。
首先，光纤光栅传感器的标准主要包括了性能要求、测试方法、标定程序、安装和使用规范等内容。
在性能要求方面，标准规定了光纤光栅传感器在不同工作条件下的灵敏度、分辨率、线性度、稳定性等指标的要求。
而测试方法则包括了对这些性能指标的具体测试方法和步骤。
标定程序则规定了光纤光栅传感器在出厂前和使用过程中的标定要求和程序。
安装和使用规范则规定了光纤光栅传感器在安装和使用过程中需要遵循的规范和注意事项。
其次，光纤光栅传感器标准的制定对于推动行业发展和产品质量提升起着重要作用。
通过制定统一的标准，可以确保不同厂家生产的光纤光栅传感器具有相似的性能和可靠性，方便用户进行选择和使用。
同时，标准也可以促进技术研发和创新，推动光纤光栅传感器技术的进步和应用领域的拓展。
此外，标准的制定还可以提高产品质量，降低产品故障率，减少因为产品质量问题带来的经济损失。
最后，光纤光栅传感器标准的实施需要行业各方的共同努力。
制定标准需要依据国际标准和国家法律法规，充分考虑行业实际和技术发展趋势，制定出科学合理的标准内容和要求。
而标准的实施需要各厂家严格遵守，确保产品符合标准要求。
同时，用户在选择和使用光纤光栅传感器时也需要遵循标准的要求，合理选择产品、正确安装和使用产品，以确保产品的性能和使用寿命。
总之，光纤光栅传感器标准的制定和实施对于提高产品质量、促进技术创新和行业发展具有重要意义。
希望通过各方的共同努力，能够制定出更加科学合理和实用的标准，推动光纤光栅传感器行业的健康发展。
光纤光栅传感器原理
光纤光栅传感器原理
光纤光栅传感器是一种利用光栅原理进行测量的传感器，它通过光栅的衍射效
应实现对光信号的测量和传感。
光纤光栅传感器的原理主要包括光栅的形成、入射光信号的衍射效应和信号测量三个方面。
首先，光栅的形成是光纤光栅传感器原理的基础。
光栅是通过在光纤中引入周
期性折射率变化而形成的，这种周期性折射率变化可以通过光栅制备技术实现，常见的制备方法包括光刻、干涉曝光等。
光栅的形成使得光信号在光纤中发生衍射，从而实现对光信号的测量和传感。
其次，入射光信号的衍射效应是光纤光栅传感器原理的关键。
当光信号进入光
栅时，光信号会受到光栅周期性折射率变化的影响，发生衍射现象。
这种衍射效应会使得光信号在光栅中形成衍射波，从而产生衍射光谱。
衍射光谱的特征与光栅的周期、折射率变化等参数密切相关，可以通过分析衍射光谱实现对光信号的测量和传感。
最后，信号测量是光纤光栅传感器原理的实现方式。
通过对衍射光谱进行分析，可以得到光信号的频率、强度、相位等信息，从而实现对光信号的测量和传感。
常见的信号测量方法包括光谱分析、频率测量、干涉测量等，这些方法可以实现对光信号的高精度测量和传感。
综上所述，光纤光栅传感器原理是基于光栅的衍射效应实现对光信号的测量和
传感。
通过光栅的形成、入射光信号的衍射效应和信号测量三个方面的原理，可以实现对光信号的高精度测量和传感，具有重要的应用价值。
在光通信、光传感、光谱分析等领域有着广泛的应用前景。
光纤光栅传感器
光纤光栅光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。
利用光纤材料的光敏性〔外界入射光子和纤芯内错离子相互作用引起折射率的永久性变化〕，在纤芯内形成空间相位光栅，作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射或透射的反射镜或滤波器。
光纤光栅可与光纤完全兼容，不存在集成波导光栅与光纤的耦合问题。
光纤光栅的出现，使许多复杂全光纤通信和传感网成为可能，极大的拓宽了光纤技术的应用范围。
3.3 光纤光栅传感器的工作原理1989年Morey等人首先对光纤光栅的应力和温度传感特性进行了研究。
应力影响由光弹效应导致折射率变化和形变使光纤光栅周期变化引起，温度影响由热光效应使有效折射率改变和热膨胀效应使光栅周期变化引起。
光纤光栅传感器的工作原理是借助丁某种装置将被测参量的变化转换为作用丁光纤光栅上的应力或温度的变化，从而引起光纤光栅布拉格波长变化。
由光纤光栅布拉格波长的变化测量出被测量的变化。
即采用波长调制方式，将被测信息转化为特征波长的移动。
实验测定，布拉格波长在1550nm附近的光纤光栅的应力和温度响应分另U 为1.2X IfjT nm/ 和1.0X 10—：nm/°C。
根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，产生模式耦合，满足布拉格条件的波长光被反射，丁是有妇=2瞄A 〔3-1〕式中：为导模的有效折射率，A为光纤栅格周期。
符合布拉格条件的反射光波长的移位为M = 2fA+2n"A 〔3-2〕3.3.1 温度响应当只考虑温度影响时，有绑=〔u+Q AT/ 〔3-3〕式中：。
为热膨胀系数，&为热光系数。
且有1 AA口二T‘二A AT (3-4)t 1 顷 ffE =——=---(3-5) 对丁掺错石英光纤，Ct取5.5X10-7/o C^ ^vl50°C的范围内，饭7.1X10-6/a C^7.3X10~6/D C,在400%时"取IXltjT尸C。
《光纤光栅传感器》课件
远程监测
由于光纤的特性，光纤光栅 传感器可以实现远程监测， 适用于各种复杂环境。
应用领域
1 结构监测
光纤光栅传感器在桥梁、建筑等结构监测中有广泛应用。
2 油气检测
光纤光栅传感器可以用于油气管道中的泄漏检测和流量监测。
3 环境监测
光纤光栅传感器在环境监测领域中用于气体浓度、温度等参数的监测。
制备方法
工作原理
光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅结构。当被测量物理量发生变 化时，光纤中的光栅会发生形变，从而导致光信号的改变。通过分析光信号 的变化，可以确定被测量物理量的数值。
优点
高灵敏度
光纤光栅传感器具有高灵敏 度，可以检测微小的物理量 变化。
抗干扰性强
光纤光栅传感器对外界干扰 的影响较小，具有良好的抗 干扰性能。
1
光纤制备
选择适合的光纤材料，并通过预拉伸等工艺制备光纤。
2
光栅制备
使用光刻、激光干涉等方法制备光栅结构。
3
光纤光栅组装
将光纤与光栅结构组装在一起，形成光纤光栅传感器。
实验室案例分享
实验室搭建
我们在实验室中搭建了一个光纤 光栅传感器测试平台。
传感器测试，我们验证了其性能和准确性。
《光纤光栅传感器》PPT 课件
欢迎大家来到《光纤光栅传感器》PPT课件。在本课程中，我们将介绍光纤光 栅传感器的定义、工作原理、优点、应用领域、制备方法，还会分享一些实 验室案例。让我们一起探索这一领域的知识和技术。
什么是光纤光栅传感器
光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅结构对物理量进行测量的传感器。通过监测光纤中的光信号变化，可以获 得被测量物理量的信息。
我们还展示了一些光纤光栅传感 器在实际应用中的示例。
几种常见光纤光栅传感器工作原理
几种常见光纤光栅传感器工作原理光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅原理进行测量和传感的设备。
光栅传感器常见的工作原理包括光纤布拉格光栅传感器、光纤长周期光栅传感器和微弯光纤光栅传感器。
光纤布拉格光栅传感器的工作原理是基于布拉格散射原理。
布拉格光栅是一种周期性折射率的光学结构，在光纤中形成了一个周期性的介质折射率变化。
当光线从光纤的一端传输到另一端时，如果入射光的波长与光纤布拉格光栅的周期匹配，一部分光子将被散射回来。
通过测量返回的散射光的波长，可以得到光纤周围环境的物理参数，如温度、应力和应变等。
光纤长周期光栅传感器的工作原理是基于光纤中被定期改变的折射率。
长周期光栅是一种周期性折射率变化的光学结构，在光纤中形成了一个周期性的折射率变化。
当光线从光纤的一端传输到另一端时，由于光纤中折射率的周期性变化，部分光子将被耦合到光纤的芯部分中。
通过监测被耦合到芯部分的光强，可以得到光纤周围环境的物理参数，如温度和应变等。
微弯光纤光栅传感器的工作原理是基于光纤的微弯曲变化。
当光纤受到外力或外部物理参数的作用，如温度、压力和应变等，会导致光纤发生微弯曲。
微弯光纤光栅传感器通过监测微弯光纤的光强变化来测量这些物理参数。
微弯光纤光栅传感器通常由两个光纤光栅组成，一个作为敏感光纤光栅，另一个作为参考光纤光栅。
通过比较敏感光纤光栅和参考光纤光栅的光强变化，可以得到环境物理参数的值。
综上所述，光纤光栅传感器可以基于光栅的布拉格散射原理、长周期折射率变化和微弯光纤的光强变化来实现对环境物理参数的测量和传感。
这些传感器在温度监测、应力分析、应变测量和压力检测等领域具有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器原理课件
光纤光栅传感器的传感原理
外界物理量变化
当光纤光栅受到外界物理量（如 温度、压力、应变等）的作用时 ，其折射率调制周期或纤芯长度
会发生变化。
反射波长漂移
由于光纤光栅的反射波长与光栅周 期相关，当折射率调制周期或纤芯 长度发生变化时，反射波长也会发 生相应的漂移。
03
CATALOGUE
光纤光栅传感器的制作与表征
光纤光栅的制作技术
光纤光栅的写入技术
01
利用紫外光干涉法，通过两束相干紫外光在光纤上形成干涉条
纹，引起光纤折射率周期性变化，从而形成光纤光栅。
光纤光栅的制作材料
02
通常使用石英光纤或掺铒光纤作为基材，其线性和稳定性较好
，能够满足光栅传感器的要求。
制作过程中的关键因素
通过测量由应力引起的光栅周期或折射率 的变化，可以推导出待测物体内部的应力 分布和大小。
结构健康监测
生物医学领域
光纤光栅传感器可以嵌入到建筑物、桥梁 等结构中，实时监测结构的变形、开裂等 状况，确保结构安全。
利用光纤光栅传感器可实现对生物组织内 部的温度、压力等参数的实时监测，为生 物医学研究提供有力支持。
测量反射波长变化
通过测量光纤光栅反射波长的变化 ，可以推断出外界物理量的变化情 况，实现对相应物理量的传感测量 。
光纤光栅传感器的信号解调原理
光谱仪解调
利用光谱仪对光纤光栅的反射光谱进行检测，通过测量反射波长的漂移量来解调出外界物 理量的变化。这种方法具有高精度和高分辨率的优点，但设备成本较高。
可调谐滤波器解调
交叉敏感问题
在实际应用中，光纤光栅传感器可能受到多种物理量的交叉影响， 导致测量准确度降低。
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光纤光栅传感器的应用概况3α姜德生,何 伟(武汉理工大学光纤中心,光纤传感技术国家重点工业性试验基地,武汉430070) 摘要:就国外光纤光栅传感器在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等方面的应用作了简单的综述。
关键词:光纤光栅;传感器;应用中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:100520086(2002)0420420211Rev iew of Appl ica tion s for F iber Bragg Gra ti ng Sen sorsJ I AN G D e2sheng,H E W ei(N ati onal Key Indu strial T est Base fo r F iber Op tic Sen sing T echno logyW uhan U n iversity of T echno lo2gy,W uhan430070,Ch ina)Abstract:T h is article p resen ts a system atic review in app licati on s of fiber B ragg grating sen so rs in m anydifferen t fields including civil structu res,aeronau tics and space,sh i p and m arine,o il and chem ical indu s2try,electric and unclear pow er indu stry,and m edicine in the past decades.Key words:F iber B ragg grating;Sen so r;A pp licati on1 引 言 光纤传感器种类繁多,能以高分辨率测量许多物理参数,与传统的机电类传感器相比具有很多优势,如:本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等,因此其应用范围非常广泛,并且特别适于恶劣环境中的应用。
有人说[1]:1992年世界光纤传感市场约1.9亿美元,1997约3.05亿美元,到2002年预订可达到5.5亿美元。
也有人预测:本世纪头10年,仅美国光纤传感器的市场就有50亿美元。
传统的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型”的。
前者的信息读取是测量光强大小。
因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。
后者的信息读取是观察干涉条纹的变化,这就要求干涉条纹清晰,而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等,使光纤光路的灵活和连接的方便等优点将大打折扣,而且它是一种过程传感器,而不是状态传感器,必须要有一个固定参考点,这样就给光纤传感器的应用带来了难度。
光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外,还有一些明显优于光纤传感器的地方,其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。
这一传感机制的好处在于:(1)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响;(2)避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要;(3)能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量。
另外,光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量,光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件[3]。
因此自1989年M o rey[4]首次报道将光纤光栅用作传感以来,受到了世界范围内的广泛重视,并且已经取得了持续和快速的发展。
有关光纤光栅传感器的感应原理、性质、制作、解调以及复用技术等,已经有很多文章作了介绍[5,6],本文旨在对国外光纤光栅传感器的应用开发情况作一简单的综述。
2 民用工程结构中的应用 民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用 光电子・激光 第13卷 第4期 2002年4月 Jou rnal of Op toelectron ics・L aser V o l.13 N o.4 A p r.2002α收稿日期:2001212203 3基金项目:国家自然科学基金资助项目(50179029)最活跃的领域。
基础结构的状态,力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的,通过测量建筑物的分布应变,可以预知局部荷载的状态。
光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面,也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量,监视结构缺陷的形成和生长。
另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行分布式检测,传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。
因此在民用工程中,光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。
目前,应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。
加拿大卡尔加里附近的B eddington T rail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993年)[7],16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测,这在以前被认为是不可能。
1999年夏,在美国新墨西哥L as C ruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上,安装了120个光纤光栅传感器,创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。
这座桥梁于1970年建成,已经出现了许多疲劳裂纹,光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数,而且要以测量车辆的速度和重量,有了此系统,就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏,了解桥梁对交通响应的长期变化。
1997年,在美国俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁,复合材料在制作过程中埋入了光纤光栅应变传感器,通过互联网可以有规律地监视桥梁的荷载响应和跟踪连接绳索的长期性能。
佛蒙特大学的一个研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛蒙特钢构架大桥,测量数据传输到中心计算机进行分析并发布到互联网上。
俄勒冈哥伦比亚河谷上的Ho rsetail fall桥是一座古老的桥梁,1914年建成,原为混凝土结构,当初设计没有考虑到现今的交通要求,后来采用纤维增强塑料复合材料对桥梁进行了加固,为了监视加固后的结构情况。
28个光纤光栅传感器安装在两根复合材料加固的混凝土梁上,从1998年开始至今,每个月用便携式光谱仪测量一次数据。
德国德累斯顿附近A4高速公路上有一座跨度72米的预应力混凝土桥,德累斯顿大学的M eissner 等人将布喇格光栅埋入桥的混凝土棱柱中,测量荷载下的基本线性响应,并且用常规的应变测量仪器作了对比试验,证实了光纤光栅传感器的应用可行性[8]。
比利时根特的环城运河上建了一座147m长的预应力混凝土桥梁,桥的预应力梁在浇筑时埋进了18个光纤光栅传感器,利用光纤光栅传感器对桥梁的建设过程进行了监视,并将长期监测桥梁的结构情况[9]。
瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室,在瑞士洛桑附近的V aux箱形梁高架桥的建造过程中,使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测,32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法2泊系统进行信号解调[10]。
另外瑞士温特图尔的Sto rck桥也是最早使用光纤光栅传感器的桥梁之一[11],桥的碳纤增强聚合物缆中安装了光纤光栅传感器对桥梁进行长期监测。
加拿大温尼伯湖附近的T aylo r大桥也用了光纤光栅传感器进行监测[7]。
为了获得受损桥梁应变分布的更详细信息,美国海军研究实验室在一座1 4比例桥梁模型中埋入了60个光纤光栅的传感系统,对模型进行了破坏测试[12]。
这套系统的典型响应时间是0.l s,非常适合静态应变测量,但不适于动态应变测量,因为受到了用于波长漂移测量的可调法2泊腔滤波器扫描速度的限制。
D ew yn ter2M arty等人[13]制作了一种变形仪进行混凝土应变和裂缝的探测测量。
这种装置制作得很精致,约10～20c m长,一光纤光栅附着在一根中心金属传感棒上,传感棒被固定在建筑物上进行测量。
在许多实际的应用中,光纤光栅都是通过传递物感应应变,而不是直接固定在结构表面,除非可直接将光纤光栅埋进结构中。
最近瑞士的研究人员[14]就将光纤光栅传感器埋入混凝土,对混凝土断裂延伸带的宽度进行了测量。
这之前对混凝土断裂延伸带的测量仅限于裂缝的表面或者是间接的内部测量。
美国联邦公路局研究发展计划[15]中的一部分就是光纤传感器的应用研究。
弗吉尼亚T u rner2Fair2 bank公路研究中心和美国海军研究实验室合作研制出光纤光栅结构监测系统,这种系统正被安装在几座桥梁的增强混凝土构件中,对应变和车辆载重进行监测。
这种技术可用于铁路、密集交通结构、高速公路、桥架及机场跑道的监测,还可用于监测交通工具(包括飞机和轮船以及复合材科制成的构件和零件)的结构条件。
他们还在混凝土梁和甲板面板中对此系统进行了测试,混凝土梁和甲板面板中埋入了32个光纤光栅传感器,结果表明传感器足以承受混凝土的浇注和凝固,完全可以和常规的传感器媲美甚至更好,混凝土发生裂纹后传感器还完好无损。
另外他们还在新墨西哥州立大学设计、制作和使用了一套32个光纤光栅的传感系统,制定了一套土木工程师在现有・124・ 第4期 姜德生等:光纤光栅传感器应用概况桥梁上安装光纤光栅传感器的初级指南[16]。
美国联邦公路局光纤研究项目的另一个内容是开发用于道路和场地测量的应变仪[17]。
这些地方很难用常规仪器进行应变监测。
目前已经用光纤光栅传感器替代常规的应变片传感元件制作了几种仪器。
仪器已经在有重型卡车的道路中进行了评估。
在地下工程和采矿业中,岩石形变的静态测量受到特别的关注,因为地下挖掘和爆破一般会造成周围地层的应力体系变化,这可能引起周围环境不稳定从而威胁工人的安全并造成破坏。
德国的GFZ Po ts2 dam[18]开发了一种地下岩石挖掘过程中测量应变的光纤光栅传感器—FBX地脚螺栓。
这种新型的传感器是在一根玻璃纤维增强聚合物岩石地脚螺栓中埋入光纤光栅,用于探测岩石构成和岩石工程结构中的静态和动态应变,这些结构包括隧道、洞穴、坑道、或者深层地基。
这种传感器很有希望用于监视复杂的地质数据场,如恶劣环境条件下的位移、应变、应力、压力和温度。
另外他们还开发了一种光纤光栅地震成像系统[19],并在瑞士一个地下煤矿坑道中进行了现场试验。
新的光纤光栅传感器能被用作地震接收器,测量实际岩块中非常小的应变振动。
在欧洲的STAB I LO S计划中,一种基于宽带掺铒光纤光源和可调法—泊滤波器的光纤光栅传感系统设计用于矿井主梁的长期静态位移测量[20];另一个用滚动干涉滤波器进行解调的光纤光栅传感网络用来监视瑞士的M on t2T erri隧道[21]。