光纤布拉格光栅传感器.ppt

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将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位置发生变化的时候， 光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变 Bragg 中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg 波 长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图2）。
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将FBG 传感器用于工程监测，其最大优势在于可以将具有不同栅距的布 拉格光栅间隔地制作在同一根光纤上，用同一根光纤复用多个FBG 传感 器，实现对待测结构的准分布式的测量。FBG 传感系统结构如图3。
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光纤Bragg 光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等 领域都能发挥重要作用，所以具有广阔的应用前景。它具有体积小、重量 轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易 燃，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。
FBG 技术的特点： •测量精度高——FBG 应力测量精度可以达到1με，温度测量精度可以 达到0.1℃。 •响应时间短——单个FBG 传感器响应时间小于0.01s。（时间与FBG 传感器距离监控器实际距离有关）
(8.3-7)
[P12 (P11 P12 )] z
(
1 ne2ff
)x, y,z
[P12 [P12
(P11 P12 )] z 2P12 ] z
x方向 y方向 z方向
(8.3-8)
式中，Pij 是弹光系数，ν 是纤芯材料泊松比（下同）。
沿 z 轴方向传播的光波所经受的折射率的变化为
透射方式：跟踪控制复杂，系 统非线性误差较大
可 调 光 纤 F-P FFP 调谐范围宽，可实现多传感器 高精度 FFP 价格昂贵，滤波损
滤波法
解调可用于静态或准静态测量
耗较大
非平衡扫描迈 具备查询、解调光纤光栅网络传感 动态测量时需要详细分析相
克尔逊干涉法 信号的能力
位随时间变化的规律
非平衡 M-Z 光 适用于动态参量的
K
B z
/ B
1 Pe
若沿光纤轴向施加拉力 F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为
z F / ES
百度文库
式中 E 为光纤的杨氏模量，S 为光纤面积。该拉力引起的 Bragg 波长变化
B F (1 Pe )B / ES
(8.3-11) (8.3-12) (8.3-13)
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8.3.1.3 压力灵敏度 压力影响也是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设温度场和轴向拉力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场 P 中，轴向应变会使光栅的栅距改变
光纤布拉格光栅传感器
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器是一种近年来发展起 来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布 的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。 反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。
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由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。
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8.3.2 解调技术
解调方法
优点
缺点
高折射环形镜 可进行静态和动态应变的测量
边缘滤波法
分辨率较低
匹配光纤光栅 滤波法
反射方式:系统结构简单、造价低 廉； 透射方式：信号光利用率高，分辨 率比前者高
反射方式：系统信噪比较低；
KT B / T ( ) B
(8.3-5) (8.3-6)
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8.3.1.2 应变传感原理 应变影响 Bragg 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。 假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力会引起光栅栅距的改变
有效折射率的变化为
z
测量范围大——应变测量可以超过10000με。
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8.3.1 传感原理
光纤光栅的Bragg波长是随光栅的周期和纤芯模的有效折射率变化的，
因此Bragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响Bragg
波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波
长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等
参量发生变化时，Bragg波长的变化可表示为
ΔλB=2ΔneffΛ +2 neffΔΛ
(8.3-2)
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8.3.1.1 温度传感原理
温度影响 Bragg 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和轴向应力场保持恒
定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为
T
(8.3-3)
neff
1 2
ne3ff
(1 /
ne2ff
)
x,
y
1 2
ne3ff
[ P12
( P11
P12 )] z
定义有效弹光系数
Pe
1 2
ne2ff
[ P12
( P11
P12 )] z
(8.3-9) (8.3-10)
综合式(8.3-7)、(8.3-9)、(8.3-10)代入(8.3-2)，可得应变的灵敏度
式中 α 为光纤的热膨胀系数。
热光效应引起的折射率变化为
neff neff T
(8.3-4)
这里，ξ 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。
式(8.3-3)、(8.3-4)结合(8.3-1)，可知 Bragg 光栅的波长在变化的温度场中的表达式为
B / B ( ) T Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为
纤干涉法
高分辨率测量
可调谐窄带光 具有较高的信噪比和分辨率
源法
静态测量要配合一个固定环 境中的参考光栅 稳定性和可调谐范围不够理 想，限制了传感 FBG 的数目 和使用范围
环形腔光纤激 适合波分复用传感
光器激射法
阵列的解调应变
分辨率低
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8.3.3 封装增敏和复用技术
由于裸的光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的工程环境中容易损伤，只 有对其进行保护性的封装（如埋入衬底材料中），才能赋于光纤光栅更稳 定的性能，延长其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结构 ，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和温度的增敏等功能， 这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。
z P(1 2 ) / E
有效折射率的变化为
neff
1 2
ne3f f
(1 /
ne2f f
)
x,
y
1 2
ne3f f
(P
/
E )(1
2
)(2P12
P11)
光纤光栅的压力灵敏度为
(8.3-14) (8.3-15)
KP
B P
/ B
1 2 E
[ne2ff
( P11 2
P12 ) 1]
(8.3-16)