光纤布拉格光栅传感器PPT学习教案

1、会计学1光纤布拉格光栅传感器光纤布拉格光栅传感器2021-10-152 将将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 传感传感器，实现对待测结构的准分布式的测量。器，实现对待测结构的准分布式的测量。FBG 传感系统结构如图传感系统结构如图3。 第1页/共9页2021-10-153光纤光纤Bragg 光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业

2、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。燃，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。 FBG 技术的特点：技术的特点：测量精度高测量精度高FBG 应力测量精度可以达到应力测量精度可以达到1，温度测量精度可，温度测量精度可以达到以达到0.1。响应时间短响应时间短单个单个FBG 传感器响应时间小于传感器响应时间小于0.01s。（时间与。（时间与FBG传感器

3、距离监控器实际距离有关）传感器距离监控器实际距离有关）测量范围大测量范围大应变测量可以超过应变测量可以超过10000。 第2页/共9页2021-10-1548.3.18.3.1 传感原理传感原理光纤光栅的光纤光栅的BraggBragg波长是随光栅的波长是随光栅的周期周期和纤芯模的和纤芯模的有效折射率有效折射率变化的，变化的，因此因此BraggBragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响BraggBragg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BraggBragg波

4、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，和压力等参量发生变化时，BraggBragg波长的变化可表示为波长的变化可表示为B=2neff +2 neff (8.3-2) 第3页/共9页2021-10-1558.3.1.1 温度传感原理温度传感原理 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) 式中 为光纤的热膨胀系数。 热光效应引起的折射率变化为 Tnneffeff (8.3-4) 这里， 为光纤的热

5、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 TBB)(/ (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 BBTTK)(/ (8.3-6) 第4页/共9页2021-10-1568.3.1.2 应变传感原理应变传感原理 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 z (8.3-7) 有效折射率的变化为 方向方向方向zPPyPPPxPPPnzzzz

6、yxeff2)()()1(1212121112121112,2 (8.3-8) 式中，Pij是弹光系数， 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 zeffyxeffeffeffPPPnnnn)(21)/1 (211211123,23 (8.3-9) 定义有效弹光系数 zeffePPPnP)(211211122 (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 eBzBPK1/ (8.3-11) 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 SEFz/ (8.3-12) 式中 E 为

7、光纤的杨氏模量，S 为光纤面积。该拉力引起的 Bragg 波长变化 ESPFBeB/)1 ( (8.3-13) 第5页/共9页2021-10-1578.3.1.3 压力灵敏度压力灵敏度 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 EPz/ )21 ( (8.3-14) 有效折射率的变化为 )2)(21)(/(21)/1 (2111123,23PPEPnnnneffyxeffeffeff (8.3-15) 光纤光栅的压力灵敏度为 1)2(21/12112PPnEPKeffBBP (8.3-16) 由于掺杂成

8、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。 第6页/共9页2021-10-1588.3.2 解调技术解调技术 解调方法 优点 缺点 高折射环形镜边缘滤波法 可进行静态和动态应变的测量 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； 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滤波法 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 高精度 FFP 价格昂贵， 滤波损耗较大 非平衡扫描迈克尔逊干涉法 具备查询、 解调光纤光栅网络传感信号的能力 动态测量时需要详细分析相

9、位随时间变化的规律 非平衡 M-Z 光纤干涉法 适用于动态参量的 高分辨率测量 静态测量要配合一个固定环境中的参考光栅 可调谐窄带光源法 具有较高的信噪比和分辨率 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 环形腔光纤激光器激射法 适合波分复用传感 阵列的解调应变 分辨率低 第7页/共9页2021-10-1598.3.38.3.3 封装增敏和复用技术封装增敏和复用技术由于裸的光纤光栅直径只有125m，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。布拉格光纤光栅复用传感技术具有减少昂贵的传感元件、降低系统成本、节省能量和使用空间等优点。当布拉格光纤光栅受到应力作用或环境温度改变时，它的布拉格波长按照一定的规律发生漂移，也就是说布拉格光纤光栅传感