光纖光柵應(yīng)變傳感的研究

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1、光纖光柵應(yīng)變傳感的研究光纖光柵應(yīng)變傳感的研究天津大學(xué)第35卷第4期2002年7月JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYVo1.35No.4Ju1.2002夏秀蘭,童崢嶸,盛秋琴,施可彬,楊秀峰(1.天津理工學(xué)院光電系天津300191;2.南開大學(xué)物理學(xué)院天津300071)摘要:采用一種簡單的傳感裝置和匹配光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)的方法,對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,檢測信號(hào)與傳感信號(hào)的變化頻率一致,相位相反,當(dāng)傳感信號(hào)的幅度不太大時(shí),它們的變化波形也一致,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本吻合.關(guān)鍵詞:應(yīng)變傳感;匹配光纖光柵;強(qiáng)度解調(diào)中圖

2、分類號(hào):TP212.14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0493-2137(2002)0443473434光纖光柵傳感技術(shù)具有對(duì)信息進(jìn)行波長編碼,抗電磁干擾等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),因而其應(yīng)用前景廣闊,用于應(yīng)變傳感是其中重要的一個(gè)方面¨J.作者采用一種基于傳感光纖光柵和強(qiáng)度解調(diào)匹配光纖光柵的實(shí)驗(yàn)裝置,在該實(shí)驗(yàn)裝置中將信號(hào)源發(fā)出的周期變化的傳感信號(hào)加到傳感光纖光柵上,使其產(chǎn)生周期變化的應(yīng)變,再利用匹配光纖光柵輸出光強(qiáng)變化的光信號(hào)進(jìn)行檢測.從理論上分析了應(yīng)變對(duì)光纖光柵布喇格波長的影響和該裝置的信號(hào)輸出特性,討論了檢測信號(hào)的頻率,相位和波形與傳感信號(hào)之間的關(guān)系.采用本實(shí)驗(yàn)裝置,

3、當(dāng)傳感信號(hào)的變化頻率在1～300Hz范圍內(nèi)時(shí),通過實(shí)驗(yàn)研究,獲得與理論分析基本吻合的結(jié)果.1實(shí)驗(yàn)裝置1.1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.光源為用980nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦源的寬帶光源;光隔離器的作用是避免反向光對(duì)光源的影響;兩耦合器的耦合比均為1:1;光纖光柵FBG1為傳感光柵,該光柵置于自行設(shè)計(jì)的基于懸臂梁的傳感裝置上;光纖光柵FBG2為檢測匹配光柵;傳感信號(hào)由信號(hào)源產(chǎn)生,并通過一定的方式施加到傳感光柵上;為便于檢測信號(hào)和傳感信號(hào)作比較,將以上兩信號(hào)同時(shí)輸入示波器進(jìn)行檢測.1.2傳感裝置光纖光柵FBG1傳感器裝置如圖2所示.該裝置主要由一個(gè)彈性薄鋼片(

4、懸臂梁)和繞有線圈的電磁鐵收稿日期:2o022-20.基金項(xiàng)目:天津自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(983601711)作者簡介:夏秀蘭(1946一),女,碩士,副教授.組成.傳感光柵粘貼在薄鋼片上.當(dāng)信號(hào)源給線圈加上正的大小周期變化的電場(傳感信號(hào))時(shí),電磁鐵產(chǎn)生的磁場大小隨傳感信號(hào)周期變化,彈性鋼片在該磁場作用下振動(dòng),致使FBG1產(chǎn)生周期變化的應(yīng)變.圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentalset-up該實(shí)驗(yàn)裝置以及所采用的實(shí)驗(yàn)方法雖然較簡單,但對(duì)于定性分析其可靠性和重復(fù)性都較好.2理論分析光纖布喇格光柵(FBG)方程

5、為AB:2nA(1)式中,A為布喇格波長;rtff為有效折射率;以為光柵周期.FBG在溫度和應(yīng)變的作用下,其布喇格波長A都要發(fā)生漂移.對(duì)于石英光纖光柵,A隨溫度變化的敏感度可表示為_AABT6.67×10一/℃(2)?474?對(duì)于A.為1547.4nm的光柵,溫度敏感性僅僅為0.01032nm/%,可見溫度變化對(duì)FBG影響較小.本實(shí)驗(yàn)過程溫度基本不變,因而對(duì)FBG影響可忽略不計(jì).▲l～島——————■一電磁鐵圖2光纖光柵傳感裝置Fig.2FiberBragggratingsensorsystem光纖光柵在應(yīng)變或應(yīng)力的作用下,其布喇格波長A的漂移,主要由于在

6、應(yīng)力的作用下,光柵周期改變,同時(shí)由于彈光效應(yīng),光纖的有效折射率也會(huì)發(fā)生變化.光纖光柵的布喇格波長隨應(yīng)變變化的關(guān)系基本也是線性的,其表達(dá)式為A,2=一()[P+P112(+)]—_=一—一Llf+十fAB(3)式中,,,,為沿光纖軸向方向和光纖截面的應(yīng)變;P和P,為Poekel系數(shù).如果應(yīng)變是均勻的且各向同性,FBG又是普通的石英光纖光柵,則對(duì)于FBG的應(yīng)變調(diào)諧,拉伸和光彈效應(yīng)的共同作用產(chǎn)生的調(diào)諧范圍為A,AAB=0.78AB=0.78(三)A(4)式中,f為光柵區(qū)的長度;Al為縱向伸縮量.由式(4)可知調(diào)諧范圍的大小正比于△f,反比于光柵的長度.且縱向拉伸

7、FBG使其A向長波方向變化,縱向壓縮則會(huì)使A向短波方向移動(dòng).FBG1傳感光柵粘貼于懸臂梁的上方一面上.當(dāng)懸臂梁在上述磁場作用下振動(dòng)時(shí),梁的上方一面產(chǎn)生拉應(yīng)力.又光纖的直徑較懸臂梁的厚度小得多,懸臂梁振動(dòng)又較小,所以可近似認(rèn)為FBG1處于縱向拉伸狀態(tài),因而A向長波方向移動(dòng).若寬帶光源的發(fā)射光譜在傳感光纖光柵(FBG1)的布喇格波長A處及其附近較平坦,且該平坦處的譜寬比FBG1的反射譜帶寬寬得多,則在FBG1反射譜及其調(diào)諧范圍內(nèi)可將入射光視為恒定,那么由寬帶光源發(fā)出的光波經(jīng)FBG1反射后的光譜線型基本由FBG1的反射譜決定,且該線型可近似視為高斯線型.因耦合器

8、對(duì)所經(jīng)過的光波的光譜線型沒有影響,所以由FBG1反射的光波經(jīng)耦合器