基于白光干涉的光纤传感技术.ppt

基于白光干涉的光纤传感技术 目录 1 引言2 白光干涉式光纤传感器的优点3 用于光纤应变 温度传感测量的光程变量表征方法4 光纤白光干涉仪5 基于光纤白光干涉方法的应变 温度测量技术6 表观应变与温度补偿技术 1 引言 应变 温度 光纤白光干涉技术 M Z干涉仪 迈克尔逊干涉仪 白光干涉测量使用低相干 宽谱带光源 同所有的干涉原理一样 光程的改变可以通过观测干涉条纹来进行分析 利用低相干技术的光纤传感器 其最基本的结构如图所示 相对于传感干涉仪串接的第二个问询干涉仪对于获得干涉条纹信息来说是必须的 这个串接的结构将取决于处理干涉信号的方法 选用分光计还是第二干涉仪的结构 要取决于频谱分析还是相位分析 小结 自从1990年以后 光纤白光测量技术已经持续发展白光干涉测量技术提供了更多的绝对测量的解决方案近十余年来 白光干涉测量技术得到了较大发展光纤白光干涉仪的另外一个优点就是可以容易的实现多路复用 2 白光干涉式光纤传感器的优点 光纤智能结构是指结构中集成了光纤传感器的遥测系统 通过光纤传感器实现 应变 监测 在需要时 也可以进行 温度 的测量 通常与结构兼容 嵌于结构内部 以便进行监测 有时也将传感器黏附结构表面 简介 当长度为L的结构部件收到拉伸或者压缩应力作用时 它的形状在载荷的方向上延展或者收缩一个长度 L 这里 表示伸长 表示缩短 我们定义这个构件的应变为 因此 这个部件中的应变状态是拉伸还是压缩 完全取决于局域载荷状态 几乎所有的应变传感器实际上都是一个标称尺度较短的形变传感器 由于白光干涉光纤应变传感器具有长度可灵活改变 柔韧性好和结构简单等特点 对于形变测量特别适合 一种典型的白光光纤应变传感器由右图给出 它由一段标准的单模光纤组成 L作为传感器的标称长度 应变测量时通过直接测量这段光纤的伸长 L实现的 小结 白光光纤传感器主要优点如下 小尺度 几何形状可变 本质安全 高灵敏度 抗电磁场干扰 与材料和结构兼容 制作安装方便 结构简单 低造价 易于多路复用 传感器长度可变 3 用于光纤传感测量的光程变量表征方法 假设感兴趣的被测量是应变 但是测量任何应变都无法避免温度变化带来的干扰 所以必须同时测量温度变化 热膨胀 温度对光纤折射率的影响以及纯粹机械应变都将包含在被测量中 因而 温度补偿技术是一个重要组成部分 另外一个常常做的假设是 光纤传感应变测量的应变是纯粹的轴向应变 事实上 光纤本身所感知应变与基体结构应变相关 但不完全一致 我们将重点研究传输机制 即通过对沿光纤传播光波特性变化来对局域应变和温度值进行求解 标定过程 白光光纤传感器基本的参数是传感部分的光程 在均匀条件下 它可以表示为 S nL一般地 光程是外加应力和温度 T 的函数 它可表示成为 S S T 变化产生的增量是 dS 光纤芯折射率 光纤传感器的标称长度 变化产生的增量是 dS 这里 和 分别是局部应力和温度产生的变化 和 分别是S对 和T的导数 由S nL 对于 和T的变化 则光程改变可以进一步展开成 dS 即为 dS nL 1 1 如果我们引入杨氏模量 和光纤热膨胀系数 可以将上式化为 dS nL1 1 1 考虑S nL和胡克定律d 上式可以简化为 1 1 这里系数 和 的定义分别为 1 1 对于标准光纤来说 应变系数和温度系数在不同波长处都是已知的 热膨胀系数也是已知的 下面这个公式是很有用的 这里 是光纤折射率由于机械应变 的作用而发生的改变 依光弹理论 由于光线性极化出现在i方向的折射率的变化量 与应变场的 j j 1 6 j 1 3表示z x y轴的三个主应变和j 4 6 表示三个切应变 的关系可以表示为 d 32 这里 是光弹系数 用下标1来表示沿着光纤的z方向 2和3分别表示处于光纤横向截面内的两个正交的方向x和y 如下图所示 因此 光纤传感器测量的温度和应变变化对在光纤中传输光特性的影响 可以由下列基本关系给出 S 0 22 上述等式用于描述光纤传感器光程变化量 在一般情况 讨论沿着光纤方向上的主应变 0 使其为零 并且温度无变化 0 因此在恒温的条件下 我们得到 22 在均匀各向同性的媒质中 这个光弹张量只依赖于两个参数 也就是光弹系数 11和 12 它可以如下表示 这里 44 11 12 2 如果假设应变场是纯粹轴向应变 也就是说 只存在于沿着光纤的方向 我们可以给出 000 这里v是光纤的泊松比 实际上 这个假设只适用于表面粘贴或者埋入内部的传感器在具有轴对称性的平面载荷情况 所以 在光纤均匀各向同性 恒温 仅存在轴向应变的条件下 光纤应变与光程的关系可表示为 22 12 11 12 对于更为一般的应变场 定义三个主应变 的情况 我们将假设 为光纤轴向的应变 对于光矢量中的电场E分量分别在x和y方向 我们有 22 11 12和 22 11 12 4 光纤白光干涉仪 单色或者长相干长度光源干涉 仅能实现2 弧度相位内光程差的测量 超过此范围 将对应一个周期性的输出信号 干涉条纹信号中主干涉中央条纹的位置可被精确判定 白光干涉仪 主要困难 光纤迈克尔逊干涉仪结构 当两个光束之间光程差小于光源相干长度的时候 就会产生一个白光干涉图 当两光束的光程绝对相等时 光程精确匹配 干涉图中出现中央条纹 该中央条纹位于干涉图中心 具有振幅极大 部分相干传输函数 可以用描述光源光谱特性的自相关函数进行表示 对于LED光源 光谱分布可以用一个高斯函数进行描述 如下图 LED光谱分布高斯函数 G 0 2 2 022 2这里 0 2 0 0是光谱中心波长 0是 0处强度值 是LED自身光谱系数 02 是光源相干长度 其中 是光源半谱宽度 FWHM 下表给出了典型的1300nm波长LED光源各参数值 对于3dB光纤耦合器 我们有 1 2 12 假设R1 R2 R 则G 2 1 cos 将G k 带入上式中 并且从 到 对光谱进行积分 我们得到 I 0 2 2 022 2 2 1 cos 2 0 2 2 022 21 cos 设k k k0 整理上式 变为 I 2 0 2 22 2 21 cos 0 2 0 2 22 2 21 cos cos 0 sin sin 0 即 I 2 01 22 2 2cos2 0 用上表中的数据替换上式中的常数 并设计耦合器的插入损耗 0 95和反射率R 91 白光干涉图样如图所示 传感臂 光纤光程长S 2nL1参考臂 光程总和2nL2 2X调整扫描镜的位置 使传感臂和参考臂的光程可以发生匹配 也就是说满足2nL1 2nL2 2X 在该位置附近 出现与上图类似的白光干涉图纹 其中 零级条纹近似在干涉条纹的中央 具有最大的振幅 对应于两臂光程精确相等处 5 基于光纤白光干涉方法的测量技术 用于实际测量中的光纤白光迈克尔逊干涉仪的组成与上图所示的结构相比存在一些差别 如下图所示 传感器两个端面上产生两个传感信号 一个信号来自于传感器前端面的部分反射 这部分反射光通过长度为L0的传感器 第二个光信号在传感器的后端面反射 当参考臂的反射器扫描时 两臂光程差发生匹配 白光干涉条纹出现 反射器前后两次获得白光干涉中心条纹的位置的差值 X X2 X1 与传感器的长度相对应 X X2 X1 nL0 5 1应变测量 当仅在传感长度上施加轴向应变 时 0可以表示为 0 0 折射率的变化可以表示为 n 12 31 12 11 因此我们给出 S 0 12 31 12 11 0 12 31 12 11 0 0 这里 n1 12 21 12 11表示光纤的等效折射率 对于硅基材料 在波长为1330nm处 参数n 1 46 v 0 25 以及p11 0 12和p12 0 27 用这些数据可算得等效折射率为 1 19 因此 作用在光纤上的应变可由下式给出 0 5 2温度测量 当传感器环境温度从T0变化到T时 光纤传感器所对应的 0和 n可改写为 0 0 0 0 n n 0 0 将n n 0 0 0 0以及上两式带入到光程差式 我们得到 S 0 0 0 0或者 0 S 0 0 所以我们得到 S 0 这里 I 0 0表示长度为L0的白光干涉光纤传感器灵敏度 I是灵敏度系数 对于标准单模通信光纤 可查得相关数值为 波长1310nm处 n 1 4681 T 5 5 10 7 CT 0 762 10 5 波长1550nm处 n 1 4675 T 5 5 10 7 CT 0 811 10 5 根据这些数据 对于单位长度的光纤在1310nm和1550nm处 光纤温度传感器的灵敏度系数I分别为11 99 m m 和12 71 m m 6 表观应变与温度补偿技术 如果结构对于外部载荷是自由的 但是经历了一个小的温度波动 T 由于在光纤与结构基体材料之间热膨胀系数的不一致 在光纤中产生了一个附加应力 这个热致轴向应力可以表达如下 这里 为光纤的杨氏模量 和 分别是光纤与基体材料热膨胀系数 用应力增量即上式带入之前的式子 得到 1 对于表观应变处理大多数的方法是 在应变的测试中 独立进行温度的测量 然后对所测的应变加以修正 当应力诱导产生应变时 对于光纤传感器 我们得到更加完整的表达式 1 上式可以写成更紧凑的形式 B 这里A 1 如果设计并且放置一个仅对温度产生响应的传感器 对温度进行独立测量的话 那么式中温度改变项就是已知的 只有应变是未知的 另外一种方案是同时进行两个参数的测量 每项测量都依赖于温度和应变 我们可以通过这两项测量来确定未知的应变和温度 一般地 它能够写成矩阵的形式 1 2 CD 来将矩阵转置 并对 和 求值 得到 CD 1 1 2 因此 温度和应变可解得 1 2 1 2 这里 CD 应该是个非零量 事实上 对于两次独立测量 温度和应变系数的差异越大 转置运算越精确 CD 如果矩阵R是病态的 那么两次独立测量中一个小小的误差 1和 2 能够通过下两式转变为一个很大的误差 同样我们注意到温度和应变误差 和 T 同光程测量误差的关系是一致的 可以通过上式 对于 1和 2这一对等式进行变换得到 1 B 2 T 1 A 2 上式清楚的显示 对于差异较小的情况 在测量中会出现较大的误差 对于白光干涉光纤传感器的情况 可采用两个独立的传感器用于温度和应变的测量 一个埋入基体材料内部 另一个负责应变传感器附近的温度的测量 于是 1 1 1 2 2 这里 1 0 所以我们得到 1 1 2 2 1 2 2 上述讨论存在一个重要的假设 即在载