光纤光栅应变测试实验
光纤光栅横向效应在平面应变测量中的应用
万方数据
光学与光电技术
第6卷
上的一个正应变,因此,如果一个自由表面的应 力状态完全未知时,就需要三个光纤Bragg光栅 构成的应变花来进行测量。而对于方向预知的 平面应变,则只需要两个光纤光栅即可实现测 量。
3 FBG的横向效应及实验测量
3.1光纤光栅的横向效应 如图2所示,在一个单向应变场中给定一个单
的作用,沿其轴向的应变记为e。,沿其横向的应变
记为‘£B,其波长的变化可表示为:
猷一A(KL£L+KBeB)
(8)
式(8)表示,Bragg波长的变化足两部分的叠加,一 部分是光栅仅受到£t作用fI寸的波长变化,另一部 分是光栅受到eB作用时的波长变化,由式(4)和式
(8)可得:
Z2n=AKL(1+塑).eL
bare grating transverse effect
由表l及图4的拟合曲线可知,随着负载的增 加,待测光纤光栅的中心反射波长向短波长方向漂 移。由实验数据所得的拟合直线斜率为一0.29 pm/tL£。由光纤光栅横向应力下的传感模型可知, 纵向拉伸的应力灵敏度约为横向应力的1.3倍‘e3; 且径向应变下光纤直径变化引起的波导效应比轴 向应变增加5倍,因而光纤Bragg光栅的横向应变 灵敏度约为0.045 pm/g.£。从而可以确定该实验 所采用光纤光栅的横向效应系数为
(9)
令口一£。/£L,对于已经安装的光纤光栅,表示
作用在光栅上的横向应变与轴向应变之比,因此它
与测点的应变场特征和光纤安装方位有关。此式
不仅适用于应变第一主应变方向与光纤轴向重合 的情况,而且表明光栅的应变灵敏系数的确定除了
取决于光栅本身的特性外,还与安装方位、被测点
应变场有关。如果使用条件满足应变第一主应变 方向与光纤轴向重合,则有EB/e-一--y,I,s为材料的
单光纤光栅对温度与应变的同步测量
and temperature measurement
图 1 传感器结构 Fig. 1 Structure of the proposed FBG sensor
3 实验结果和讨论
图 3 布拉格波长与应变的关系 Fig. 3 Relationship between Bragg wavelength and strain
4结 论
提出了一种新型的 FBG 传感器结构, 利用一根 FBG 实现 应变和温度的同步测量, 制备简单, 只需将环氧胶水涂抹于 FBG 的一部分, 并套上金属套管。通过使用高分辨率的解调仪 和保证胶水涂抹均匀, 可以达到约 6. 1 和 1. 0 ! 的应变和温 度测量精确度。
参考文献:
[ 1] Xu M G, Archambault J L, Reekie L, et al. Discrimination be tween strain and temperature effects using dual wavelength fi bre grating sensors[ J] . Electron Lett, 1994, 30 ( 13) : 1085 1 087.
fbg传感器分成等长的两部分每一部分长10mm用环氧胶水涂敷在其中一部分的表面上再套上金属套管初始的反射波长用光谱仪osa154645nm154651nm涂胶后套上金属套管的fbg减少了光纤的折射率因而这部分的布拉格波长要小于另一部分
第 21 卷 第 12 期 2010 年 12 月
光电子 激光
Journal of Optoelectronics Laser
大型装备应变检测中光纤Bragg光栅的应用研究
光纤 光栅 检 测技术 是 2 纪 9 0世 0年 代初 逐 步发 展起 来 的先进 测 试技 术 … , 所基 于 的敏 感 元 件 光 它 纤Bag 栅 ( brBaggaigF G) 近 年来 发 rg 光 i f e rg rt ,B 是 n 展迅 速 的一种 新 型光 学 无 源 器 件 , 有 不 受 光 源 功 具
维普资讯
第3 7卷 第 1 0期
20 0 7年 1 0月
激 光 与 红 外
L S R & I R A E NF ARE D
V0 . 7 . . 0 13 No 1
O tb r2 0 co e , 0 7
文章 编号 :0 1 0 8 20 )0 19 - 10 - 7 (0 7 1-0 1 4 5 0
1 引 言
发现并排除安全隐患。应变是大型装备检测最为重
要 的参 数 之一 , 反映 了工 程结 构 的 固有特征 , 局 它 对 部 特性 变化 —— 尤 其 是 对 局 部 应 力 、 部 结 构 损 伤 局 比较敏 感 J 。而 传 统 的 应 变 仪 测 量 在 使 用 中 往 往 受 到 限制 , 不能 满 足 大 型 装 备 高 精 度 、 距 离 、 布 远 分 式 检测 的技 术 要 求 。相 比较 而 言 , 纤 光 栅 检 测 技 光
i t d c d I o sd rt n o e sr i ee t n i r cie o a g c e e up n s e p t t d o e p n il n r u e . n c n ie a i ft tan d t ci n p a t flr e s a q i me t , x ai e n t r cp e o o h o c l a h i
光纤光栅应变传感的综合性实验设计
z 50mi 一 8 T t
6 7 . 8 O 15 9 7 5 . 2
光纤光栅 中心波 长
1 O 1 9 1 15 9 7 2 5 . 4 1. 3 5 1O 6 .5 15 9 7 4 5. 8 1 . 6 5 1 6 2 9 . 15 9 8 5 5 . 3
第2 5卷
第 3期
大
学
物
理
实
验
Vo . 5 No 3 12 .
21 0 2年 6 月
PHYS C I AL P EX ERI MENT 0F COLLE GE
J n 2 1 u.02
文 章 编 号 :0 72 3 ( 0 20 —000 10 —94 2 1 ) 30 8 —2
光 纤光栅 应 变传 感 的综 合 性 实验 设 计 *
龚华平 , 丛 , 于梦 , 曹 屠 董新永
( 国计 量 学 院 , 江 杭 州 中 浙 301) 1 0 8
摘 关 键
要: 利用光纤布拉格光栅 反射 波长对外界应变敏感 的特性 , 测量等强度悬 臂梁产生 的应变 , 并 词: 光纤布拉格 光栅 ; 应变传感器 ; 悬臂梁
00 . 61
014 . 0 l1P3 _1
016 . 3
0 7 .1 8
029 . 2 i
由此 产 生 的应 变 误差 为 1 8 ; . £ 挠度 测 量 产生 的
4 实 验 结 果
文章 采用 光纤 光栅 对等 强度 梁产 生 的应变 进 行 测试 研 究 , 到 的实 验结果 如 下表 1 示 。 得 所
误 差 约 为 0 2mm, . 由此 导 致 的灵 敏 度 误 差 为 0 0 m/ £气流气 压 挠 动 导致 的波 长 漂 移 误 差 .2p ; ( 与前 两项 导致 的误差 可 以忽 略不计 ) 。综合 以上 因素 , 实验误 差 的影 响很小 , 本对 测量 结果没 有 基 影响。
光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究
,
安 姜德 生 ,
40 7 ) 30 0
0 1 42 武 湖 ( . 京 工 业大 学机 械 工 程 与 应 用 电 子 技 术 学 院 , 京 10 2 ;. 汉 理 工 大 学 光 纤 传 感 技 术 中 心 , 北 武 汉 1北 北
摘要 : 在光 纤 Bag光栅传感原理的理论分析基础 上 , rg 采用保 温装置 和等 强梁结构 对其 温度 和应 变传感 特性进行 了 试验研究 , 并做 了试验 结果的误 差分析 。其 结果表 明光纤光栅 的 Bag波长随温度和 轴向应 变的变化呈现 出良好 的线性 rg
Ex e i e t lS u y 0 mp r t r n t an S n i g p rm n a t d n Te e a u e a d S r i e sn Ch r c e itc fFi e a g Gr t g a a t rsiso b rBr g a i n
20 0 8正
仪 表 技 术 与 传 感 器
I sr me t T c n q e a d S n o n tu n e h i u n e s r
20 08
No .11
第 1 1期
光 纤 B a g光 栅 温 度 和 应 变 传 感 特 性 的 试 验 研 究 rg
2 pia FbrSnigT cn lg eerhC ne , hnU ies yo eh o g , h n407 , hn ) .O t l ie es eh ooyR sac etr Wu a nvr t f cn l y Wu a 300 C ia c n i T o A s at O ebs fh erta aa s f brBagg t g( B bt c: nt ai o t t oecl n yi o f e rg r i F G)snigpi i e t prt e n t i snig r h s e h i l s i an es r c l,e ea r dsa es n np m u a rn n
光纤光栅动态应变测试实验
实验二 光纤光栅动态应变测试实验一、实验目的当简支梁受外载荷情况下,学会用光纤光栅传感器测量其表面某点的应变,加深对光纤光栅动态应变测试的理解。
在实验过程中采集数据,分析并处理数据,并做时域分析。
二、实验设备WS-ZHT2型振动综合教学实验台光纤光栅解调仪光纤光栅焊接机光纤布拉格光栅(FBG )三、实验原理在材料力学中,由梁弯曲变形的基本公式得:zy =I M σ (1) 矩形截面,惯性矩3z b h I =12(2) 由胡克定律可知:=E σε (3)注:45号钢弹性模量E=209Gpa应力应变引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给予描述:()Δεk ΔεPe 1λεΔλεB B =-= (4)式中,Pe 为光纤的弹光系数,εk 为应变ε引起的波长变化的灵敏度系数。
对于带有中心反射波长B λ, 的典型的石英光纤,轴向应变ε和波长漂移B Δλ有如下关系:B Δλ/B λ=0.78ε (5)说明:1nm=103pm 1pm ≈1με四、实验内容与步骤1 测量出简支梁的长宽高以及所测点在的位置,根据公式(1)、(2)、(3),给出在激励F 作用下所测点对应的应变该变量ε,即F 与ε的关系。
2 在静载荷下采集波长,求得波长的平均值0λ3 在同一频率下分别施加F1、F2、F3,分别采集所对应的波长13λλλ、2、,求出波长变化量13λλλ∆∆∆、2、(0=-λλλ∆),然后分别代入(5)式中计算得应变13εεε、2、 3 每一实验小组分别选三个频率,分别在每个频率下施加F1、F2、F3,通过采样、计算后得到应变13εεε、2、。
4 绘出时域上的应变图,进行频谱分析,观察频谱图中频率大小是否与实验中所给频率大小相同,分析时域图中应变变化与力的变化的关系,从而判断实验与理论是否吻合。
五、实验报告要求1 从理论上推导外载荷F 与应变ε之间的关系2 先在静态下求出波长平均值0λ,通过加外载荷实验得到的波长λ,算出变化量λ∆,再转化成应变ε,用EXCEL 或MATLAB 绘制时域图,并分析图形走势3 频谱分析,试着从频谱上观察振动频率,振动幅值。
实验七、光纤光栅传感的特性测试
布拉格波长为 1550nm,1300nm 时, RB,T 分别为 0.01nm/ °C和0.0087nm/ ° C 。
与压力灵敏度表达式类似,长周期光纤光栅温度灵敏度 R L,T 可表示为
R L,T
=
dλL dT
=
⎜⎛ ⎝
nco
dΛ dT
+ Λ dnco dT
⎟⎞ ⎠
−
⎜⎜⎝⎛
nc(il
)
dΛ dT
4
盘用金属细丝相连,通过滑块另一侧的托盘内加放重物如滚珠来拉动滑块,滑块沿传光轴拉伸光纤 光栅,从而给光栅施加轴向拉力。由光谱分析仪可以看到,FBG 反射的中心波长随着轴向应力增大 而向长波偏移,将应力变化转换为波长的变化,从而达到传感的目的。(附录一中给出几种不同应 力情况下 FBG 中心波长偏移情况)。
实验数据表 1 滚珠数 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 λB,N 2 λB,N 3 λB,N
λB,N
ΔλB,N
δλB,N
δλB,N / λB,N
5
2.温度传感 (1)原理
由宽带光源(如 LED)发出的光信号由光环形器的 1 端口进入,由 2 端口输出进入光纤光栅, 经光纤光栅反射的光由 3 端口送入光谱分析仪。因光纤光栅的中心反射波长随温度而异,温度的升 高时,中心波长向长波方向移动,反之亦然,故可通过波长的检测推知温度的变化,实现温度传感 (附录一给出典型的光纤光栅随温度变化的反射情况)。该实验装置较应力传感实验装置多了一个 温度传感头,其结构如图 3 所示。传感头的控温仪是通过调压器改变加热丝电流大小,通过热电偶 检测温度与设定值比较控制加热丝电流通断实现恒温,从而控制传感头内的温度,传感头应具有在 一段时间间隔内阻断与外界热交换的功能,同时应尽可能地使光纤光栅周围迅速达到热平衡。因此 传感头内部是一个绝热性能较好地空腔体。将加热丝、光纤光栅和热电偶包含其内。
光纤光栅应变传感器二维应变测量方法
光纤光栅应变传感器二维应变测量方法作者:李金娟来源:《无线互联科技》2015年第02期摘要:文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。
实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。
关键词:光纤光栅;电阻应变片;应变;直角应变花光纤光栅应变花进行二维平面应力测量是通过三个光纤光栅的中心波长的变化来测定应变的,电阻应变片应变花测出的应变值对光纤光栅中心波长进行标定。
所以粘贴时尽可能保证光纤光栅与对应的电阻应变片的测量方位一致。
1 实验台的准备由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量,所以不能使用一般的等强度梁,而是用一个十字架形结构,实际上也是一种等强度梁,不过这种装置有两个等强度梁,分别作为十字架的X轴向和Y轴向,用来施加压力,如图1所示。
这是实验的被测表面的俯视图,表面是由我们用一块马口铁皮做成的。
实验时在X轴、Y 轴方向分别悬挂砝码盘。
砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮,铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化,因此为了保证试验的效果,光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。
2 光纤光栅的制备实验台准备好后重要的是制备光纤光栅,本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅,串联成直角应变花来测试动态应力的变化,因而需制备3只不同波长的光纤光栅。
由于实验条件的限制,试验室中只有两块相位掩模板,在实验室中只能制备两只光纤光栅,另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。
三只光纤光栅的波长位置分别在:1532nm,1544nm,1548nm处附近。
根据实验条件,组建一个光纤光栅制作系统,制作方法采用目前最有效,也是最流行的相位掩模法,其实验系统如图2所示。
本实验用光纤,是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理(在室温下,压强为107Pa 的容器中,载氢两周左右),使得普通通信光纤的光敏性大大增加,达到写制光栅的要求。
实验11 基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器实验
实验11基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器实验物光1201 朱学军201121051一、FBG反射光谱特性测量从原始数据中我们看到纵坐标最大值为559.552,且为单峰,由于数据过多,我们舍去纵坐标小于1的项,绘出图表如下从图中可以读出最大值560,对应中心波长值1544.616nm。
其一半为280,其与右边交于一点(1544.694,280),左边数据有误差,根据曲线走势,取最右边的一点(1544.556,280),得其3dB带宽|1544.694-1544.556|=0.138nm。
二、光纤FBG温度传感器的标定将原始数据进行线性拟合,得b=0.010649,a=1540.2141544.520 26.01544.682 41.01544.837 56.01545.029 75.01545.204 90.41545.373 105.0标定后,我们又测了两组数据真实值108.6 95测量值108.2 93.20可以看出,拟合还是比较标准的,但还是存在一定的误差。
三、光纤FBG应变传感器的——光纤称重传感器1564.404 01564.696 5001564.885 10001565.077 15001565.270 20001565.467 25001565.667 3000将原始数据进行线性拟合,得b=0.0000985,a=1544.615标定后,我们又测了三组数据真实值1000 2000 2500测量值1003.4082022.676 2478.746可以看出,在误差允许的范围内,拟合还是比较标准的。
四、思考题1、影响光纤FBG温度传感器的测量精度的因素有哪些?答:有操作失误、温度没有稳定就读值、光纤有损坏、系统误差等。
2、如何提高光纤FBG中心波长的计算精度?答:在最高点附近多测几组数值、整体多测几次求平均、读数时根据曲线的对称性在最高点附近两边取纵坐标相同的值再求中点。
五、心得体会通过本次实验,我了解了基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器的工作原理和特性,同时对传感器也有了更多的了解,测量是否精确也在一定程度上取决于标定的情况。
基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究
Ab t a t s r c :M o io i fr i s r i si n t rng o a l t ansi mpo t n n r iwa r n p r a i n a a n e n e Fi e a g g a i r a ti a l y t a s o t to nd m i t na c . b rbr g r tng
e e a d f a i lt e id s rbut d m e s r m e t he eor h y a e mor u t b e t a 1s r i a ur — ne n e sbiiy ofs m — i t i e a u e n ,t r f e t e r e s ia l o r i t a n me s e m e t . W e d s us h e ha s o vee t hitn nd rl d s r i n e p r t r t e s s ns i c s t e m c nim fwa lng h s f i g u e oa t a nsa d t m e a u e s r s e .M o t — nio rng e pe i e s o a ls r i i x rm nt fr i ta nsund r t c i e p r t r t e s s a y m i o dsa e pe f r d。a d e hea ton oft m e a u e s r s e nd d na c1 a r r o me n t f e to e he e f c ft mpe a ur a ito s e i n t d u i he m a c e — r tn e ho . Re uls i ia e t a r t e v ra i nsi lmi a e sng t t h d g a i g m t d s t nd c t h tFBG s ns s c n be u e o me s e a d m o io a ls r i t o e f r a c . e or a s d t a ur n n t r r i ta ns wih go d p r o m n e
光纤光栅应变传感器测量应变误差分析
孙佃亮 等
之间的关系。通过理论分析,得到了横向效应所引起的测量误差,针对复杂平面应变问题,修正了测量 应变的计算公式,分析了安装角度、安装角度偏差等因素对测量精度的影响,得出:测量误差与安装角 度成近似正弦变化,随着主应变比增大,应变测量误差逐渐减小。该理论为光纤光栅在实际中的应用提 供了理论指导。
收稿日期:2019年2月25日;录用日期:2019年3月13日;发布日期:2019年3月21日
摘
*
要
光纤光栅应变传感器测量应变与实际应变并不相同,为了提高测量精度,需要研究测量应变与实际应变
通讯作者。
文章引用: 孙佃亮, 吴入军, 张晓峰, 陈田, 马雪芬. 光纤光栅应变传感器测量应变误差分析[J]. 仪器与设备, 2019, 7(1): 58-65. DOI: 10.12677/iae.2019.71009
(1)
由公式(1)可知:轴向应变与波长相对变化量成正比关系。然而,光纤光栅在实际测量时,不仅受到 如图 1 所示, 在 x 方向存在单向应变 ε x 的应变场中, 对于光纤 F2, 其承受横向作用, 设 ∆λ λ = K Bε x , 其中 K B 为光栅的横向灵敏系数,对于光纤光栅 F1,存在: ∆λL = λ K L ε x ,其中 KL 为光栅的轴向灵敏系 数。假设 H 为横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比,则存在公式(2):
Open Access
1. 引言
光纤光栅应变传感器是随着通信技术的发展而发展起来的, 由于光纤光栅应变传感器同传统的机械、 电子类传感器相比,具有体积小、质量轻、抗电磁干扰等诸多优点,其在航空航天、医疗器械、土木工 程等诸多领域都得到了广泛的应用[1] [2]。 在光纤光栅应变传感器的实际应变测量时,主要利用了光纤光栅的轴向应变的灵敏性,没有考虑 光纤光栅横向效应对光纤光栅反射波长的影响,即认为光纤光栅受到的横向应变对反射波长无影响。 通过资料调研[3] [4,因此,如果 不考虑横向效应的影响,将会对光纤光栅测量结构造成一定的误差[5] [6]。苏晨辉[7]等人对表面粘贴 式光纤光栅传感器的应变传递机理进行了研究,张俊康[8]、梅钰洁[9]研究了光纤光栅传感器在螺旋管 和蒙皮中的测试技术,孙媛凯 [10]等人对光纤光栅传感器进行了实验标定,实验证明具有良好的线性 度和精度。 本文首次综合考虑了光纤光栅应变传感器横向效应、安装角度、安装角度偏差等因素对测量应变的 影响,并得到了安装角度和安装角度偏差对测量应变的关系表达式,对光纤光栅应变传感器的实际应用 具有很好的指导意义。
基于光纤光栅的钢板拉伸应变监测研究
王 岩
0 3 0 0 5 1 ; 2 . 中 国特 种 设 备 检 测研 究 院 北 京 1 0 O 0 1 3 )
摘 要 :光 纤 布 拉 格 光 栅 ( F B G) 是 一 种 国 际上 新 兴 的 在 光 纤 通 信 、 光 纤 传 感 等 光 电 子 技 术 领 域 有 着 广 泛 应 用 前 景 的 基 础 性 光 纤 器 件 。本 文 首 先 介 绍 F B G传感原理 , 然 后 用 光 纤 布 拉 格 光 栅 应 变 传 感 器 和 高 精 度 电 阻 应 变 片 同 时 监 测 钢 板拉伸应变变化 , 并 对 实 验 获 得 的 数 据 进 行 分 析 。结 果 表 明 F B G 应 变 传 感 器 测得 的 应 变 和 高 精 度 应 变 片 测 得 的很 接 近, 反 射 波 长 和 应 变 具 有 很 好 的相 关 性 , 相关系数达 到 0 . 9 9 9 5 。基 于 光 纤 布 拉 格 光 栅 的 应 变 测 方 法 可 行 , 并 具 有 良好
Ab s t r a c t : F i b e r B r a g g Gr a t i n g i s e x p e c t e d t o b e a n i n t e r n a t i o n a l b u r g e o n i n g f i b e r o p t i c d e v i c e t h a t wo u l d h a v e a g r e a t l y
c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f r e f l e c t i o n wa v e l e n g t h a n d s t r a i n . Th e r e f o r e , s t r a i n mo n i t o r i n g me t h o d b a s e d o n FB G i s f e a s i b l e a n d h a s p o t e n t i a l o f a n t i c i p a t i o n r e s u l t .
FBG光纤光栅的应变和温度传感特性研究与实验验证讲解
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:effBBeffn 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:()21211112eff eff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中:()21211112e eff 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。
光纤Bragg光栅在动态应变测量中的研究
第2 0卷
第 5期
传 感 技 术 学 报
CHI E OUR L OF S NS S A D TU OR NES J NA E OR N AC AT S
Vo . O No 5 12 .
Ma . 0 7 y 2 0
20 0 7年 5 月
,
1Sae yL b rtr f P eiinM esrn eh oo ya d Is u e t ,Ta i nvri . ttKe a oaoyo rcs au ig T cn lg n nt m ns i nU ies y,Tin i 0 0 2 C ia 、 o r t ajn3 0 7 , hn - 2 S ho fAuo t na dEnr y,Ti i nvri f T c n lg . co l tmai n eg o o a nU iesyo eh oo y,Ta jn30 9 ,C ia t ini 0 1 1 hn /
n q e d n mi t an i u ; y a c s r i
EEACC: 2 E 7 30
光 纤 B a g光 栅 在 动 态 应 变 测 量 中 的研 究 * rg
李 丽 , 林玉池 沈小 燕 , , 付鲁 华 王 为 ,
(. 1 天津大学精密测试技术及仪器 国家重点实验室 , 天津 30 7 ;. 0 0 2 2 天津理工大 学 自动化与能源工程学院 , 天津 30 9 ) 0 1 1
Fi e a g Gr tng S n o y t m o n m i r i e s r m e b r Br g a i e s r S s e f r Dy a c St a n M a u e nt
光纤光栅传感实验
光纤光栅传感实验一、实验目的1. 理解光纤光栅的制作原理;2. 掌握光纤光栅传感的原理;3. 学会使用光纤光栅传感仪软件;4. 使用光纤光栅传感仪测量温度变化对输出波长的影响;5. 使用光纤光栅传感仪测量应力变化对输出波长的影响;二、实验原理光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅传感测量的基本原理光纤光栅受温度T 和应变ε同时影响时,光纤光栅峰值波长会发生变化,其相对变化量可以写成:Δλ/λ=(α+ξ)ΔT+(1-Pe )ε (6)其中α、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数,其值α=0.55×10-6,ξ=8.3×10-6,即温度灵敏度大约是0.0136 nm /℃,(λ为1550nm );Pe 是有效光弹系数,大约为0.22,即应变灵敏度为0.001209 nm /με。
2.1光纤光栅温度传感器为了提高光纤光栅温度灵敏度,在光纤光栅温度传感器中,是将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上,外部有不锈钢管保护,外面有加热装置。
如图4。
波长变化量及温度灵敏度分别为(请自行推算):Δλ/ΔT =((α+ξ) +(1-P )(αj -α))λ (7)[Δλ/ΔT =αt ]αt 定义为该温度传感器的温度灵敏度,可由实验获得,大约是αt =0.035nm/℃。
由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化t-t 0:2.2光纤光栅应变传感器本实验仪的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。
应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变,用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变。
由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。
图1光纤光栅示意图出 射 光布喇格光纤光栅 纤芯入射光 反射光光纤包层光纤光栅应变传感器原理图如图5光纤光栅粘接在悬臂梁距固定端根部x 位置,螺旋测微器调节挠度,由材料力学可知,光纤光栅的应变为:3)(3l dhx l -=ε (8) 其中l 、h 、d 分别表示梁的长度、挠度和中性面至表面的距离,η=1-PePe 是光纤有效光弹系数。
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 BB effn 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:()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中: ()21211112e eff 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。
光纤光栅传感器在测量过程中的应变传递误差分析及修正
于是达到了测量微小变形的目的 。光纤光栅传感器的 优点主要表现为 : 耐久性好 , 适于长期监测 ; 既可以实 现点测量 ,也可以实现准分布式测量 ; 测量动态范围只 受光源谱宽的限制 ,不存在多值函数问题 ; 检出量是波 长信息 ,因此不受接头损失 、 光沿程损失等因素的影 响 ; 对环境干扰不敏感 ,抗电磁干扰 ; 波长编码 ,可以方 便实现绝对测量 ; 单根光纤单端检测 ,可尽量减少光纤 的根数和信号解调器的个数 ; 信号 、 数据可多路传输 , 便于与计算机连接 , 单位长度上信号衰减小 ; 灵敏度 高 ,精度高 ; 光纤光栅尺寸小 ,测量值空间分辨率高 ; 输
Ana lysis and Correction of the Stra in 2Tran sfer Error in the M ea surem en t w ith the F ibre Gra tin g Sen sor
SHAN G J ia 2shang, WANG Yu
(Changcheng Institute of M etrology & M easurement, Beijing 100095, China )
(整理)光纤光栅应变传感器产品及监测实例
光纤光栅应变监测监测原理光纤光栅就是一段光纤,其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。
根据模耦合理论,Λ=n B 2λ的波长就被光纤光栅所反射回去(其中λB 为光纤光栅的中心波长,Λ为光栅周期,n 为纤芯的有效折射率)。
图1 光纤光栅的结构反射的中心波长信号λB ,跟光栅周期Λ,纤芯的有效折射率n 有关,所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。
也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。
当布喇格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时,光栅自身的栅距发生变化,从而引起反射波长的变化,解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力。
性能指标主要特点★可靠性好、抗干扰能力强 ★ 测量精度高★ 分布式测量,测量点多,测量范围大。
★ 传感头结构简单、尺寸小★ 抗电磁干扰、抗腐蚀、适于恶劣的化学环境 下工作。
★ 系统安装使用过程中无需定标,使用寿命可 达25年以上,适用于长期监测。
应用领域航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等工程实例采用光纤监测混凝土大管桩在施工过程中的应变结果分析舟山万邦永跃船舶修造有限公司30万吨级舾装码头船坞应变监测徐州矿务局张双楼煤矿主通风井冻法施工安全监测内蒙古多伦电厂桩基静载测试马来西亚宾城跨海大桥桩基承载力检测深表土冻结外井壁光纤应力实测分析监测点布置总体原则为掌握竖井壁变形动态,并在今后继续发挥其安全预警作用,应布设较为全面完整的多方位监测体系,从而最大限度的发挥光纤光栅传感器的功能,经初步分析,井壁可能的变形主要包括:井壁受周围粘土挤压产生应变;应变引起井壁相对位移(井壁收敛);深度不同引起叠加位移等,另外因采用冻法施工,井壁壁后温度也是影响作业面及支护初期安全的重要要素,这些要素很有可能成为护壁破坏失稳、发生恶性事故的诱发条件。
综上述,竖井监测系统设计的总体原则是:采用多层、多向监测的方法,在关键点(层)布置光纤应变、温度传感器,监测内容包括:井壁应变监测、壁后温度监测。
光纤光栅应变传感器实验讲义
实验 光纤布拉格光栅(FBG )应变实验研究【实验目的】1) 了解光纤光栅传感器基本原理及FBG 应变测量的基本公式。
2) 了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。
3) 学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。
【实验原理】1.光纤光栅传感器的基本原理及FBG 应变测量的基本公式光纤布喇格光栅(Fiber Bragg grating, FBG )用于传感测量技术,主要是通过外界物理量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息,因此它是一种波长调制型的光纤传感器。
FBG 传感原理如图1所示。
图1中,当一束入射光波进入FBG 时,根据光纤光栅模式耦合理论,当满足满足相位匹配条件时,反射光波即为FBG 的布喇格波长λB ,λB 与有效折射率n eff 和光栅周期Λ的关系为Λ2eff B n =λ (1)由式(1)可以知:n eff 与Λ的改变均会引起光纤光栅波长的改变,而且n eff 与Λ的改变与应变和温度有关。
应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响n eff ,通过长度改变和热膨胀效应影响周期Λ,进而使λB 发生移动。
将耦合波长λB 视为温度T 和应变ε的函数,略去高次项,则由应变和温度波动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为Λ∆+∆Λ=∆eff eff B 22n n λ (2)Iλ透射光谱Iλ输入光谱反射光谱 波长漂移λIΛ输入光波反射光波透射光波加载物理量,如应变,温度图1 FBG 传感原理示意图由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量∆λ对轴向应变∆ε和环境温度变化∆T 比较敏感。
通过测量FBG 中心波长的变化,就可测量外界物理量的变化值(如应变、温度等)。
光纤光栅轴向应变测量的一般公式为()ελλe BBz1p -=∆,也是裸光纤光栅轴向应变测量的计算公式。
由上式可知,∆λBz 和ε存在线性关系,因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移量∆λ,就可以确定被测量ε的变化。
2. 飞机驾驶杆弹性元件的力学特性杆力传感器弹性元件采用平行梁形式,其结构如图2所示。
基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用
基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用光纤光栅传感器是一种基于光纤的传感器,可以用于测量应变、温度、压力等物理量,广泛应用于工业、民用和科学研究领域。
其中,应变测量是光纤光栅传感器的一个重要应用,下面我们将深入探讨基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用。
一、应变测量原理应变是表征物体形变程度的物理量。
在物体受到外力作用时,其原有的结构形态发生变化,长度或形状发生变化,这种变化称为应变。
光纤光栅传感器的测量原理是利用光纤中的光栅作为敏感元件,通过测量光纤中的光信号的变化来测量物理量。
在应变测量中,光纤光栅传感器的敏感元件是一段光纤,当光纤受到应变作用时,其长度或形状发生变化,导致光栅尺寸发生变化,从而改变了光的传播路径和波长。
通过测量光纤传输的光信号的传播路径和波长变化,可以计算出应变的大小。
二、应变测量应用基于光纤光栅传感器的应变测量可以应用于多种场合,例如力学实验、结构监测、土木工程等。
下面将重点介绍在土木工程中的应用。
1.桥梁监测桥梁是交通运输的重要组成部分,承担着极其重要的作用。
然而,由于气候、车辆荷载、地震等因素的影响,桥梁可能会出现应变和形变。
因此,桥梁的安全性和运行状态的监测是必不可少的。
光纤光栅传感器可以用于桥梁监测,通过测量桥梁的应变来判断桥梁的安全状态。
2.隧道监测隧道是重要的公共基础设施,其长期使用会产生形变,引起隧道结构的损坏和病害。
因此,隧道的监测也是必不可少的。
光纤光栅传感器可以应用于隧道监测,通过测量隧道的应变来判断隧道结构的变形情况。
3.地质灾害监测地质灾害是城市建设和农业生产过程中的重要问题。
地质灾害可能对人民生命财产造成严重的损失。
因此,地质灾害的监测也是必不可少的。
光纤光栅传感器可以应用于地质灾害监测,通过测量地质灾害发生区域的应变来判断灾害的发生情况和规模。
4.混凝土构件监测混凝土是建筑构件的常用材料。
然而,混凝土在使用过程中会受到外界环境的影响,出现应变和形变。
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* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: ofrazao@inescporto.pt; Tel.: +351-226082328; Fax: +351-22608799. Received: 28 December 2013; in revised form: 28 March 2014 / Accepted: 8 April 2014 / Published: 14 April 2014
Abstract: An ultra-high sensitive strain sensor is proposed. The sensing head, based on the post-processing of a fiber Bragg grating, is used to perform passive and active strain measurements. Both wavelength and full width half maximum dependences with the applied strain are studied for the passive sensor, where maximum sensitivities of 104.1 pm/µε and 61.6 pm/µε are respectively obtained. When combining the high performance of this sensor with a ring laser cavity configuration, the Bragg grating will act as a filter and high resolution measurements can be performed. With the proposed sensor, a resolution of 700 nε is achieved. Keywords: strain sensor; post-processing; fiber Bragg grating
Fibers 2014, 2, 142-149; doi:10.3390/fib2020142
OPEN ACCESS
fibers
ISSN 2079-6439 /journal/fibers Article
Ultra-High Sensitive Strain Sensor Based on Post-Processed Optical Fiber Bragg Grating
Marta S. Ferreira 1,2, Jörg Bierlich 3,†, Martin Becker 3,†, Kay Schuster 3,†, José L. Santos 1,2 and Orlando Frazão 1,2,*
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INESC Porto, Rua do Campo Alegre, 687, Porto 4169-007, Portugal; E-Mails: msaf@inescporto.pt (M.S.F.); josantos@fc.up.pt (J.L.S.) Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Rua do Campo Alegre, 687, Porto 4169-007, Portugal; E-Mail: josantos@fc.up.pt IPHT Jena, Institute of Photonic Technology, Albert-Einstein-Str. 9, Jena 07745, Germany; E-Mails: joerg.bierlich@ipht-jena.de (J.B.); martin.becker@ipht-jena.de (M.B.); kay.schuster@ipht-jena.de (K.S.) These authors contributed equally to this work.
Fibers 2014, 2 1. Introduction
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Optical fiber tapers, usually applied in sensors or fiber lasers, can be divided in two groups according to their manufacture: mechanical or chemical tapers. Mechanical tapers, produced by stretching the fiber, present reduced core and cladding diameters. Usually, these structures have a biconical structure. Different fibers have been tapered such as a large-mode-area microstructured fiber [1], suspended-core fiber [2] and large-mode-area holey fiber [3]. The development of these, and other structures, has opened a new window in optical fiber sensing. For instance, the tapering of long period gratings (LPGs) proved to be suitable to measure pressure [4], temperature and strain [5]. In addition, the use of fiber Bragg gratings (FBGs) in tapered fibers was used to measure strain and temperature [6]. A different approach has been proposed by depositing metals in tapered fibers, in order to have surface plasmon resonances [7,8]. The production of an S-tapered fiber sensor led to an axial strain sensor with a maximum sensitivity of −183.4 pm/µε . Chemically etched tapers do not suffer modification of the fiber core, whereas the cladding is partially or totally removed. Besides the biconical tapers [10,11], fiber tip sensors have been proposed. These sensors present high-sensitivity to the environment [12] and are very well suited to perform biosensing [13]. Fiber Bragg gratings have attracted significant attention not only from academia, but also from industry [14]. These structures have been widely explored as sensors as well as optical filters that are suitable, for instance, for application in fiber lasers. The periodical structure is easy to manufacture, reproducible and very straightforward for application in various situations. In this paper, a sensor based on a post-processed fiber Bragg grating is proposed. The sensing head is subjected to strain measurements, where it exhibits an ultra-high sensitivity. Two different configurations are compared, for passive and active measurements. 2. Experimental Results A 3 mm long fiber Bragg grating (FBG) was written in photosensitive single mode fiber (SMF) using an excimer laser. Due to the photosensitivity of the fiber, there was no need to hydrogenate it prior to the grating inscription.was produced by splicing the FBG to the end section of SMF. The end section of the sensor was cleaved, guaranteeing that there were 2 mm of SMF with no inscription between the FBG and the fiber end. This ensured that the post-processing would not destroy the FBG length. The fiber tip with the FBG was then subjected to wet chemical etching, being submerged in a 40% hydrofluoric acid (HF) solution during 55 min. This led to a tapering of the fiber, with a final tip diameter of ~12 µm, and a length of 4.5 mm, accordingly to the scheme of Figure 1a. Due to the strength of the etch near the end face of the fiber tip relative to that throughout the cladding, the sensor acquired a conical shape. Consequently, the reflection spectrum of the grating changed, not only did its Bragg wavelength shift ~10 nm, but also the full width half maximum (FWHM) increased from 0.36 nm to 6.03 nm, see Figure 1b. This chirp behavior had a strong influence in the sensing head response to strain. Due to the predictability of the etching behavior, it was possible to obtain several sensing heads with identical properties.