FBG传感器应用及设计实例

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
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
计量光栅式
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
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
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。
铝帽
环氧胶
螺纹铝管
光纤光栅温度补偿装置结构
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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 304不锈钢 变截面悬臂梁 铍青铜 弹簧 65Mn
9
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
光纤传感
（2）功能型——利用光 纤本身的某种敏感特性。 （感和知）
8
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。
3.4 光纤光栅的选择
FBG稳定性 避免波长重叠
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
功率(dBm)
-45
0
10
-50
20
4
传 感 器：sensor
5
传 感 器：sensor
6
光纤传感技术： Optical Fiber Sensor
7
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）
30
-55
40
50
-60
60
70
-65
80
90
-70
100
-75
110
120
-80
130
140
-85
150
160
-90 1544 1546 1548 1550 1552 1554 1556 1558
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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
17
光纤传感器的应用
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FBG位移传感器设计
许红彬
wenku.baidu.com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
常见的位移传感器
类型
电阻式 电感式
滑线式
应变片式 自感变气
隙型 差动变压
器式
电涡流式
测量范围
1~300 m ±0.3%应变 ±0.2 mm
±（0.08~75） mm ±（2.5~250） mm
电容式
变面积式 变间距式
磁致伸缩式
霍尔式
0.001~1000 mm 0.001~10 mm
0.001~10000 mm ±1.5 mm
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
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
光纤
悬臂梁 FBG1
wB
(b)
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。
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硅管 光纤光栅 螺母 有涂敷的光纤
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。
2
传 感 器：sensor
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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）