光纤传感原理

1、光纤传感原理北京交大光信息所1第1页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所2引言1 光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。 第2页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所3 波长调制型光纤传感器 应用：应力、应变、振动、位移、温度、浓度等 优点: 小巧、柔软、抗干扰能力强；集传感与传输于一体、易于制作和应用；波长分离能力强、传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定位。 缺点: 检测比较复杂，对光源要求高第3页，共22页，202

2、2年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所4基本原理与应用2 FBG及其传感原理光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的LP01模与前向传播的LP01模之间发生耦合，光栅周期一般小于1m。芯层包层包层折射率 n2芯层折射率 n1感光折射率 n12 n第4页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所5芯层包层+1级-1级紫外掩模写入法制作FBG第5页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所6折射率分布a1 ：纤芯半径； a2：包层半径， n1：纤芯初始折射率；n

3、2：包层折射率； n(r,z）为光致折射率变化； n3一般指空气折射率。F：描述折射率分布在横截面上的精细结构。折射率调制周期UV：紫外光源波长：两相干光束之间的夹角第6页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所7由于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播时，入射光能在相应的波长上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作用。因这类调谐波长反射的现象最早由WBragg爵士提出，这种光纤光栅被称为光纤布喇格光栅（FBG）。IFBG反射谱BI输入谱IFBG透射谱B第7页，共22页，2022年，5月20日，4点

4、48分，星期一北京交大光信息所8FBG的反射谱的中心波长：neff ：光纤芯区有效折射率 ：光纤光栅的周期即栅距 因光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变化：传感原理第8页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所9 光纤光栅中心波长的变化与温度、应变的关系：热膨胀系数：弹光系数：热光系数 光纤光栅在实际应用中通常是封装在压力或温度增敏材料中，以提高检测的精度。第9页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所10 光纤光栅传感解调原理A. 匹配光

5、纤光栅解调法 选用一个与传感光纤光栅 FBG1 参数相近的光纤光栅 FBG2 （匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反射谱部分重叠，即设置合适的偏置传感光纤光栅的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。第10页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所11当光纤光栅受到外界微扰时，其输出反射谱在一定范围内漂移；而解调光栅的反射谱是相对固定的，当传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有在两光栅反射谱重叠部分范围内的光波才能被反射，重叠面积与反射谱光强度成正比当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较强，反之则

6、较弱，检测器检测到的光强是传感光纤光栅FBG1和匹配光纤光栅FBG2两个光谱函数的卷积。因此对FBG1上的微扰，在 FBG2的反射谱中可检测到对应的光强变化的信号。 第11页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所12B. F-P腔波长滤波解调法 解调装置采用调谐腔长的方法，在透射光强达到最大值时求出入射波长。第12页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所13 FBG传感基本术语 传感器波长：FBG反射谱的中心波长 传感器带宽：FBG反射谱的带宽（3dB） 反射率：反射光功率的比例，决定信号强度 90%。 边模抑制: 对光谱旁瓣的抑

7、制能力，15dB第13页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所14 FBG传感应用概述 FBG具有多传感器复用能力，在准分布测量、多参数组合测量等方面显现出诱人的前景，在复合材料固化监控、大型土建结构内部应变分布及大型设备内部应力、温度分布状态监控等方面具有广阔的应用前景。 第14页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所15 通过在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，可实现分布式传感，而且可以实现单端检测；同时还能进一步集合成分布传感网络系统，广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及内部裂缝、变形等参数的实

8、时、在线、分布式检测。 目前，光纤光栅传感器在桥梁安全监测方面占绝对地位。加拿大Beddington Trail 大桥最早使用（1993年），16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测。第15页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所161999年夏，美国新墨西哥Las Cruces10号高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时的记录。这套光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数，而且可以测量车辆的速度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了解桥梁对交通

9、响应的长期变化。 第16页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所171. 深圳市民中心大厦光纤光栅智能健康监测系统；2.襄樊汉江四桥锚索光纤光栅应力监测系统；3.宝钢一炼钢厂吊车行架光纤光栅应力分布测量系统；4.巴东长江大桥双塔光纤光栅和应力施工监测系统长 期智能健康监测系统；5.海口世纪大桥光纤光栅长期健康监测系统；6.贵阳冷饭盒大桥光纤光栅预应力施工监控系统及长期智能健康系统。第17页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所18光连接器调制解调器显示仪表计算机 使用现场控制室内传输光缆连接光缆FBG探头光纤光栅监测报警系统结构示

10、意图第18页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所19煤矿安全生产监控系统第19页，共22页，2022年，5月20日，4点48分，星期一北京交大光信息所20FBGP系列压力传感器 FBGPXXX11型光纤光栅压力计通过端头导压孔将压力传递到敏感元件，通过检测敏感元件光纤光栅反射的光信号波长的移动量得出实际压力值。具有全光测量和信号传输、现场不供电、不受雷击、不受电磁干扰、超长使用寿命等特点。 FBGPXXX11型光纤光栅压力计可用于管道和压力容器内油、水、气等不同介质的压力测量。 应用领域： 仪器特点： 工业生产过程控制 高精度 压力容器测量 长期可靠 油、水、气压力测量 全光检测，不受电磁干扰 油罐内油气压力监测 可进行差压及绝对压力测量第20页，共22页，2