光纤布拉格光栅传感器

2019/9/19
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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）
B / B ( ) T
(8.3-5)
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
K T B / T ( ) B
(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
(8.3-7)
[ P12 ( P11 P12 )] z
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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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。
(1 /
ne2ff
)x,
y

1 2
ne3ff
(P
/
E)(1
2
)( 2 P12

P11 )
光纤光栅的压力灵敏度为
(8.3-15)
KP

B P
/ B

1 2 E
[ne2ff
( P11 2
P12 ) 1]
(8.3-16)
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 高折射环形镜 边缘滤波法
匹配光纤光栅 滤波法
可 调 光 纤 F -P 滤波法
优点
可进行静态和动态应变的测量
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 FFP 调 谐 范 围 宽 ， 可 实 现 多 传 感 器 解调可用于静态或准静态测量
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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
z P(1 2 ) / E
(8.3-14)
有效折射率的变化为
neff


1 2
ne3ff
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 B ragg 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
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 /E S
式
中
E
为
光纤
的杨
氏模பைடு நூலகம்
量
，
S
为
光纤

面
B
积

。该拉力引起的
F (1 Pe ) B
/B Er aSg g
波
长变
化
(8.3-10) (8.3-11) (8.3-12) (8.3-13)

(
1
n
2 eff
) x, y,z


[
P12

[
P12
( P11 P12 )] z 2 P12 ] z
x 方向 y 方向 z 方向
(8.3-8)
式 中 ， P ij 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
n eff


1 2
n
3 eff

(1
/
n
2 eff
)x, y


1 2
n
3 eff
[ P12

( P11

P12 )] z
定义有效弹光系数
(8.3-9)
Pe

1 2
n
2 eff
[ P12

( P11

P12
)] z
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
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
定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为 T
(8.3-3)
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
n eff n eff 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