FBG传感器应用及设计实例

一、背景及意义
位移是大型工程结构安全监测的重要参数，它为了
解大型结构工程有无裂缝、变形及沉降趋势提供了 可靠的信息。目前工程应用领域大多采用电类传感 器进行位移测量，但是其测量精度、寿命等受环境 影响较大，易受电磁干扰，信号传输距离受限，复 用能力差。 为此，针对光纤传感的优势及实际需求设计了一种 基于混合型悬臂梁结构的光纤光栅（FBG）位移传 感器。
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光纤传感技术的优势
1、石英材料，抗电磁、绝缘、耐腐蚀、本质安全
2、灵敏度高
3、体积小巧，灵活弯曲，成本低
4、应用广泛，测量参数多 5、对被测物体影响小，化学性质稳定、兼容性强 6、光波作为传感信号，易于实时动态监测 7、可以实现波长编码，绝对值传感 8、易于组网，可分布式
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光纤传感器的市场预测
常见的位移传感器
类型
电阻式
测量范围
1~300 m ±0.3%应变 ±0.2 mm ±（0.08~75） mm ±（2.5~250） mm 0.001~1000 mm 0.001~10 mm 0.001~10000 mm ±1.5 mm 0.001~1000 mm
测量精度
±0.1% ±（2%~3% ±1% ±0.5% ±（1%~3%） ±0.005% ±1% 3 μm~1 mm 0.5% 3 μm~1 m
位移/mm
4.2 FBG位移传感器的静态特性分析
误差分析
（1）FBG粘贴误差。在设计中，应将FBG粘贴在混合型
悬臂梁等强度段中轴线上，由于粘贴时手工操作粘贴位置 存在一定的误差，以及涂胶的均匀性等问题，造成采用相 同材料封装的传感器的灵敏度不同。 （2）试件加工及装配精度存在误差。由于该传感器有多 个部件组成，其加工过程也是工人控制机床单件加工，每 个试件的加工精度都在可控的范围内存在不同的误差，再 加上手工装配式产生的误差，可能导致两个理论上相同的 传感器产生不同的误差。 （3）测试精度引起的误差。该测试是通过手动移动平台 上测量的，由于手动调节不够精确，引入的测量误差比较 大。
滑线式 应变片式 自感变气 隙型 差动变压 器式 电涡流式 变面积式
电感式
电容式
变间距式 磁致伸缩式 霍尔式 计量光栅式
二、基于混合悬臂梁结构的FBG位移 传感器设计方案
2.1 FBG位移传感器原理分析
x
弹簧来自百度文库悬臂梁 wB
(b)
光纤
FBG1 FBG2
光纤光栅的温度去敏
1、在光敏光纤同一位置重叠写入两个具有 不同Bragg波长的光栅来区别温度和应变效 应； 2、利用同一光纤Bragg光栅的一阶和二阶衍 射效应来区别出温度和应变效应； 3、采用特殊封装、埋入方式的方法来消除 温度－应力的交叉敏感问题。
FBG传感器应用及设计实例
许红彬
传 感 器：sensor
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。 人的五种感觉器官：视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉。
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传 感 器：sensor
3
传 感 器：sensor
是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定 规律变换成为所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显 示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。（信 息获取、转译和传导）
positive wave lo Intercept positive wave lo Slope negative wave l Intercept negative wave l Slope
波 长 差/nm
9 8 7 6 5 4 3 2 0
正行程 逆行程 正行程拟合直 线 逆行程拟合直 线
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
三、基于混合型悬臂梁结构的FBG位 移传感器结构设计与封装
3.1 FBG位移传感器设计原则
3.1.1 相容性


强度相容性 尺寸相容性 界面相容性 场分布相容性
3.1.2 传感特性
3.1.3 工艺性 3.1.4 使用性能
3.4 光纤光栅的选择
FBG稳定性
避免波长重叠
304不锈钢 变截面悬臂梁 铍青铜 弹簧 65Mn
2.5 灵敏度计算与设计
物理量 传感器最大长度 入射光波波长/λ 光弹系数/Pe 混合型悬臂梁弹性模量/E 混合型悬臂梁有效长度/l 混合型悬臂梁等强度段长度/l1 混合型悬臂梁固定端宽度/b0 弹簧弹性系数/k 混合型悬臂梁厚度/h 传感器设计灵敏度/S 传感器量程 数值 400 1550 0.22 128 40 15 8 110 1 59.7 160 单位 mm nm Gpa mm mm mm N/m mm pm/mm mm
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硅管
光纤光栅
螺母
有涂敷的光纤
铝帽
环氧胶
螺纹铝管
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光纤光栅温度补偿装置结构
2.4 材料选择
2.4.1 材料选择基本原则
（1）要满足零件的工作要求
（2）要满足工艺性能要求
（3）要重视选材的经济性 （4）所选材料的牌号应符合国家标准
2.4 材料选择
2.4.2 材料选择方案 外壳
波 长 /nm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
温度/
谢谢！
2016.03.20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
功率(dBm)
波 长 (nm)
4.2 FBG位移传感器的静态特性分析
按照线性位移传感器校准规范，以正、反两个行程
为一个循环，共测试三个循环。对该传感器经行正 逆行程全程测量3次
4.2 FBG位移传感器的静态特性分析
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传 感 器：sensor
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传 感 器：sensor
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光纤传感技术： Optical Fiber Sensor
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光纤传感技术： Optical Fiber Sensor
（ 1 ）传光型 —— 光纤仅仅起 传输光的作用，它在光纤端面 或中间加装其它敏感元件感受 被测量的变化。（传和行）
光纤传感
（2）功能型——利用光 纤本身的某种敏感特性。 （感和知）
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光纤传感技术： Optical Fiber Sensor
光纤传感的原理是在外界因素（如温度、压力、加速度、电压、电流、 位移、振动、转动、弯曲、应变以及生物化学量的影响）直接或间接地 作用于光导纤维上时，可以导致光纤本身的传导光性能的改变，从而使 得光纤内部传导的光波的特征参量（如振幅、波长、相位、偏振态和模 式分布等）发生变化。信号可以通过光纤以透射或者反射的形式输出并 进行解调。
4.3 FBG位移传感器温度特性测试
4.3 FBG位移传感器温度特性测试
1554 1553 1552 1551 1550 1549
FBG1 FBG2 Linear Fit of wavelength Linear Fit of wavelength
Equation Adj. R-Square y = a + b*x 0.99956 Intercept Slope Intercept Slope 0.99963 Value wavelength wavelength wavelength wavelength 1549.41101 0.01619 1552.00574 0.01586 Standard Error 0.00423 8.02821E-5 0.0038 7.21708E-5
灵敏度、线性度、迟滞、重复性
61.19 pm/mm ±2.1% 1.6% 1.40%
13 12 11 10
Equation Adj. R-Square
y = a + b*x 0.99786 0.99747 Value Standard Error 0.06638 7.07615E-4 0.07186 7.66067E-4 2.55061 0.06119 2.56546 0.06086
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安全监测——桥梁
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安全监测——大型建筑
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安全监测——输油管道
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安全监测——航空航天
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光纤传感器的应用
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光纤传感器的应用
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光纤传感器的应用
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FBG位移传感器设计
许红彬
提纲
一、背景及意义 二、基于混合悬臂梁结构的FBG位移传感器设计
方案 三、基于混合型悬臂梁结构的FBG位移传感器结 构设计与封装 四、基于混合型悬臂梁结构的FBG位移传感器性 能测试
工作特点
分辨率较好，可静态或动态测量， 但是机械结构不牢固 使用方便，需要温度补偿 只适用于小位移测量 分辨率好，需要屏蔽磁场干扰 分辨率好，被测物体必须是导体 介电常数受环境温度、湿度影响 大；量程越大，体积越大 分辨率好，测量范围小，只能在 局部范围内近似保持线性 测量工作速度可达12 m/min 结构简单，动态特性好；但是量 程小 分辨率高，需要在洁净的环境下 使用
采用相位掩膜板成栅技术，通过紫外光刻写，刻写 完成的FBG在140 ℃环境下退火14小时，以保证 FBG的稳定性。
四、基于混合型悬臂梁结构的FBG位 移传感器性能测试
4.1 FBG位移传感器实验室标定实验
-45 -50 -55 -60
-65 -70 -75 -80 -85 -90 1544 1546 1548 1550 1552 1554 1556 1558