光纤光栅原理和应用

光纤光栅传感器原理及应用

（武汉理工大学）

1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。

图1 FBG 结构及其波长选择原理图

在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。

（1）光纤光栅应变传感原理

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，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。

（2）光纤光栅温度传感原理

光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。

2光纤光栅传感器特点

利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。

光纤光栅传感器可测物理量：

温度、应力/应变、压力、流量、位移等。

反射光谱

入射光谱 投射光谱

入射光 反射光 投射光 包层

纤芯 光栅

光栅周期

图2 光纤光栅传感器分布式测量原理

光纤光栅的特点：

● 本质安全，抗电磁干扰

● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻；

● 寿命长: 寿命 20 年以上

3目前我校已经开展的工作（部分）

3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统

利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。

图3 光纤光栅非接触测量原理

图4 光纤光栅传感器飞机发动机动应变测量 被测参量

宽带

光源

光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1

测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源

波长

旋转装备 光纤光栅传感器 分析诊断系统 非接触光传

输 解调器 光纤 光纤 固定部分

旋

转

部分

3.2 旋转轴系振动（位移）的光纤光栅测量技术与方法

利用旋转轴振动对磁场的影响作用，将磁场的变化转化为光纤光栅反射波长的变化，通过理论建模和分析，创建了一种基于磁力变化的光纤光栅无接触旋转轴振动测量新原理与新方法。图5所示是这种振动测量的原理图和装置图。

通过理论分析和实验研究，演绎了这种测量方法的原理以及呈现的无接触振动（位移）测量、易实现多维振动测量的特点。分析了影响测量性能的因素及其影响关系，图6所示就是传感探头到旋转轴的距离与光纤光栅应变的关系。

(a)旋转轴振动测量原理 (b)旋转轴振动测量装置

图5 光纤光栅无接触旋转轴振动测量

图6 传感探头到旋转轴的距离与光纤光栅信号的关系

以图6中方框内的部分作为线性区间，可以得到位移对波长变化量的灵敏度为1.13μm/pm，目前的光纤光栅传感器的波长分辨率可达1 pm，也就是说这种振动位移传感器测量精度可以达到1μm，能够满足机械装置振动检测的要求。

3.3. 基于光纤光栅传感的机床温度与切削力测量

3.2.1机床温度测量

利用Bragg光栅的特性，组成分布式光纤光栅网络，实时监测机床温升变化，并将温度场信息进行建模，为数控系统提供参考，将有效提高机床的加工精度。

图7 机床温度测量

3.2.2切削力测量实验研究

图8 基于光纤光栅传感的机床切削力测量装置与实验数据

3.4.基于光纤光栅传感的损伤识别研究

图9 基于光纤光栅传感的损伤识别辨识装置与实验数据

3.5.基于光纤传感技术的重大装备安全监测

3.5.1港口岸桥式起重机安全监测情况

在国内最大港口——上海港应用，可使岸桥式起重机月检修次数由 4 次减少为1 次，并降低了设备点检难度，提高了设备的使用效率和生产效率，相当于增加了3万TEU/年·台的货物吞吐量

图10 港口岸桥式起重机监测

3.5.2 港口翻车机安全监测情况

世界最大能源港的咽喉设备，长期无法实现在线、实时、动态监测，成为港口发展的瓶颈.在秦皇岛港应用，将关键装备翻车机整机停车检修时间可缩短为原来的20%

图11 港口翻车机安全监测

3.5.3大型浮吊安全监测

国内最大浮吊(奋进号)：悬臂长240多米，起吊重量2000多吨

图12 中远船务200T 门座起重机安全监测

图13 中远船务200T 、600T 龙门起重机监测

3.6.光纤传感技术的典型工程应用案例

● 世界跨度最大、承受荷载最重武汉天心洲公铁两用斜拉

桥长期安全监测

● 世界规模最大公路隧道火灾安全监测

● 世界最高面板坝渗漏与结构长期安全监测

● 国家四大战略储备油库火灾报警

● 中石化90%大型油罐火灾报警

● 我国第一条海底隧道火灾与结构安全监测

● 三峡工程重点文物保护工程结构安全监测

一、二、三、四期翻车机都安装应用