第8章_光纤光栅传感器.ppt

1、第8章光纤光栅传感器、光纤光栅传感器、光纤光栅利用光纤材料的光灵敏度(外部入射光子与芯内锗离子的相互作用引起的折射率的永久变化)，在芯内形成空间相位光栅。 在光学水平上，由于描述光纤光栅的传输特性的基本残奥仪表是反射率、透射率、中心波长、反射带宽以及光栅方程式等，所以基于光纤光栅的器件的分析和设定修正主要通过上述的基本光学残奥仪表。 另外，光纤光栅传感器作为传感器单元，光纤光栅的主要优点是，探测信息具有四位波长编码线性响应的绝对测量和良好重现性。 另外，插入损耗低、窄频带的波长反射有利于在1根单模光纤中的多路复用，能够实现光纤网络中的星形、串联、并联和环连接。 光纤光栅由于其轻量、细径、柔软、

2、化学稳定、耐高温、电磁干扰(EMI )等光纤的固有特性，被认为是理想的传感材料。 其中，基于光纤Bragg光栅的传感器通过外部残奥仪表调制其Bragg中心波长来取得传感信息，光纤光栅传感器在研究初期被认为是光纤Bragg光栅的理想的传感器单元对于光纤，波长编码具有抗电磁干扰的优点，特别是在两个方面上出现：1)当忽略光纤的非线性效应时，普通传输光纤不影响传输光波的频率特性。 2 )光纤光栅传感系统实质上不影响传感信号的波长特性，例如其他光纤传感器的光强度起伏，例如光源强度起伏，光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗。 因此，基于光纤光栅的感测系统具有高可靠性和稳定性。 光纤光栅传感器在现有技术的条

3、件下，为了将光纤光栅应用于传感领域，需要考虑以下8个主要问题。 (1)光纤光栅的机械可靠性和光学可靠性。 机械可靠性是指光纤光栅的拉伸、弯曲等性能；光学可靠性是指光栅的反射率、透射率、波长、带宽等光学残奥仪表随环境而变化。 现在作为商品出售的光纤光栅必须通过环境试验。 例如，在相对湿度85%、温度85的湿箱中进行1000 h试验，其光栅的上述光学性能没有明显变化-4085温度下1000个循环，光学性能也没有明显变化等。 光纤光栅传感器，(2)光纤光栅的寿命。 利用光纤光栅的经时和温度变化特性，可以定量评价光栅的寿命。 实验证明，通过在高温下退火光栅，在今后的使用中稳定。 进一步的实验表明，在规

4、定温度下初期发生崩溃，之后反射率相对稳定。 例如，一个光纤光栅在370度的温度下开始反射率的降低，然后光栅的反射率稳定在大约2000小时以上。 因此，通过加速劣化，光栅反射率可以预测时间和温度的变化。 光纤光栅传感器，(3)光纤光栅的封装。 写入光栅时，一般为了除去保护层，机械强度大幅降低，所以作为实用的光纤光栅需要良好的封装，需要考虑适当的基板材料(有机物或金属等)和粘贴材料(环氧树脂或特殊膏等)，影响寿命(4)交叉敏感的消除。 光纤光栅对应力、应变、温度等多种残奥仪表具有不同程度的敏感性，即交叉敏感性。 例如，当在光纤光栅中测量失真时，温度可以采用温度补偿(包括主动补偿和无源补偿)、不均匀

5、光纤光栅等方式来敏化。 光纤光栅传感器，(5)增感和脱感。利用特殊材料封装，提高了所希望的残奥仪表的传感灵敏度，减弱了无关残奥仪表的传感灵敏度，在检测中对无关残奥仪表进行剥离平滑化。 (6)宽光谱、高功率光源的获得。 使用光纤光栅作为传感器元件时，如果要扩大其测量范围，请使用宽光谱光源，另一方面，为了提高检测的信噪比，要求光源输出高。 因此，光源的选择直接影响光纤光栅传感系统的数量和抗干扰能力，值得充分重视。 光纤光栅传感器，(7)波长位移的检测。 在以光纤布拉格光栅为基础构成的传感系统中，传感量主要是以波长为单位的微小位移，因此传感系统需要精密的波长和波长变化检测装置。 (8)光检测器的波长

6、分辨率。 光纤光栅传感系统的检测灵敏度直接依赖于检测波长变化的灵敏度，因此光电检测器的波长分辨率是光耦合技术的问题。 光纤光栅位移应变传感器利用悬臂梁的位移应变传感器，将光纤光栅简单地粘贴到矩形悬臂梁结构上，通过测量与悬臂梁不同点的应变换算，得到实际的应变和位移结果。 直接光纤光栅位移应变传感器，图8-1悬臂梁结构的光线光栅位移应变传感器，左侧为被测量物，该物体通过一个突出物作用于垂直竖立的悬臂梁，光纤Bragg光栅仅通过直接粘贴在悬臂梁上张伟刚等人对该悬臂梁结构进行了一些改进，实现了垂直应力、位移等力学量的测量。 其悬臂梁为矩形，在悬臂梁的自由端有直角三角形的约束框架。 悬臂梁由特殊的有机材

7、料合成，其长度、宽度、厚度和杨氏模量分别为l、b、h、e，约束框架固定在梁上的a、b之间的作用杆的前端与沿着AB移动的滑块c接触，下端d是受力点，作用杆在横向导轨上将长度为l、自由中心波长的光纤Bragg光栅刚性粘贴在接近悬臂梁固定端q的上表面，将其中心位置与固定端的距离设为。 当然，当外力作用于作用杆d时，其动作被约束框架限制。 即，通过横向力，滑块沿着横向导轨移动，作用杆横向位移，作用杆前端的滑块c从a点沿着约束框架向b点滑动，使悬臂梁向下弯曲，通过拉伸接近悬臂梁固定端的FBG的纵向力，作用杆、利用光纤光栅实现垂直力学测量的装置，图8-2垂直力学测量装置的图像，除了对常用的悬臂梁进行分析外

8、，侑有龙等人对现有的悬臂梁提出了改进意见，基于改进后的悬臂梁结构的光纤光栅位移传感器对温度的影响非常小部分解决了光纤光栅温度和应变的交叉敏感问题，该悬臂梁为厚度呈阶跃分布的等腰三角形，边界线AB距固定端为a，距自由端q为b。 左右两侧的上表面齐平，两侧的厚度分别和。 恒定长度的光栅沿着轴向刚度粘贴在上表面a-b附近，并用于使得边界两侧的光栅的长度近似相等，从而在测量期间两侧的光栅的反射光谱的峰值近似相等。 简支梁的光纤光栅位移传感器，传统的简支梁结构的光纤光栅位移传感器，图8-3的几种非一般形态的简支梁结构的光纤光栅位移传感器(a )层叠型(b )菱面体类型(c )同侧双力器同侧双功率型2、光

9、纤光栅振动加速度传感器通过在考虑变形时加上时间这一参考量，得到光纤光栅振动加速度传感器。 徐兆文等人提出了悬臂梁结构和匹配光纤光栅法，对振动进行了传感实验研究。左图所示的光源是带有光学隔离器的宽带光源，光学隔离器的作用是避免反向光对光源的影响，对于两个耦合器的耦合比，光纤光栅FBG1是传感器光栅，而光纤光栅FBG2是检测匹配光栅右图所示为传感器光纤光栅FBG1的悬臂梁结构。 该装置的主体由弹性薄钢振动片、步进装置和缠绕线圈的电磁铁构成。 传感器光栅粘贴在振动片上。 当信号源向线圈施加交变信号时，电磁铁通过交变电流产生交变磁场。 弹性薄钢振动片在周期性交变磁场的作用下振动，弹片的振动引起晶格常数

10、的周期性变化，从而使晶格峰反射波长规则地往复漂移，将振动信号耦合到感应晶格上。图8-4匹配光纤光栅法的振动传感模式图、光纤光栅温度传感器，由裸光纤光栅封装制作的温度传感器对裸光纤光栅的测定温度的线性比较好，但由于灵敏度比较低图(a )表示在单层的聚四氟乙烯上用环氧树脂膏粘贴光纤光栅的结构，图(b )表示将上下2层的聚四氟乙烯作为钳子粘贴环氧树脂膏光纤光栅的结构。 这两种结构是日本学者Totu Mizunami、Hiroaki Tatehata和Hideo Kawashima于2001年提出的。 之后的板式结构多在此基础上进行基材的改良和更换。图8-5板式结构的光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传

11、感器、李燕等人在2000年设置了新的光纤光栅压力传感器，其结构如图所示。 将光纤光栅的两端固定在2块金属板上，上金属板通过精密调整螺钉产生微小的升降，可以作为负荷台。 在光纤光栅的伸长应变范围内进行螺旋调节，使光纤光栅产生尽可能大的伸长，使测试保持较宽的线性范围，同时在恒温条件下，确定压力传感头的测试零点。 可通过选择不同的金属板材或相同板材的不同厚度来设定、修正不同量的范围。 简称为、图8-6光纤光栅压力传感器、光纤光栅水声传感器、水声传感器、水听器，是在水中监听声场信号的设备。 作为反潜声的核心部件，在军事领域有重要应用的工业生产和民间领域，也有海洋石油和天然气的勘探、地震波勘探、水声物理研究、海洋渔业等广泛的用途。 来自波长可调窄带光源的光进入耦合器并分成两束，一束经由隔离器进入光循环器，首先进入光纤Bragg光栅，反射光再次进入光循环器，最后进入光电检测器。 如从布拉格光栅的特性可知，对于反射光的中心波长，当传感器光栅到