光纖光柵應變傳感的研究

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1、光纖光柵應變傳感的研究光纖光柵應變傳感的研究天津大學第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.天津理工學院光電系天津300191;2.南開大學物理學院天津300071)摘要:采用一種簡單的傳感裝置和匹配光纖光柵強度解調的方法,對光纖光柵應變傳感進行了理論分析和實驗研究,結果表明,檢測信號與傳感信號的變化頻率一致,相位相反,當傳感信號的幅度不太大時,它們的變化波形也一致,實驗結果與理論分析基本吻合.關鍵詞:應變傳感;匹配光纖光柵;強度解調中圖

2、分類號:TP212.14文獻標識碼:A文章編號:0493-2137(2002)0443473434光纖光柵傳感技術具有對信息進行波長編碼,抗電磁干擾等許多獨特的優(yōu)點,因而其應用前景廣闊,用于應變傳感是其中重要的一個方面¨J.作者采用一種基于傳感光纖光柵和強度解調匹配光纖光柵的實驗裝置,在該實驗裝置中將信號源發(fā)出的周期變化的傳感信號加到傳感光纖光柵上,使其產生周期變化的應變,再利用匹配光纖光柵輸出光強變化的光信號進行檢測.從理論上分析了應變對光纖光柵布喇格波長的影響和該裝置的信號輸出特性,討論了檢測信號的頻率,相位和波形與傳感信號之間的關系.采用本實驗裝置,

3、當傳感信號的變化頻率在1～300Hz范圍內時,通過實驗研究,獲得與理論分析基本吻合的結果.1實驗裝置1.1實驗裝置實驗裝置如圖1所示.光源為用980nm半導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,該光柵置于自行設計的基于懸臂梁的傳感裝置上;光纖光柵FBG2為檢測匹配光柵;傳感信號由信號源產生,并通過一定的方式施加到傳感光柵上;為便于檢測信號和傳感信號作比較,將以上兩信號同時輸入示波器進行檢測.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.基金項目:天津自然科學基金資助項目(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.當信號源給線圈加上正的大小周期變化的電場(傳感信號)時,電磁鐵產生的磁場大小隨傳感信號周期變化,彈性鋼片在該磁場作用下振動,致使FBG1產生周期變化的應變.圖1實驗裝置示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentalset-up該實驗裝置以及所采用的實驗方法雖然較簡單,但對于定性分析其可靠性和重復性都較好.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在溫度和應變的作用下,其布喇格波長A都要發(fā)生漂移.對于石英光纖光柵,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FBG影響較小.本實驗過程溫度基本不變,因而對FBG影響可忽略不計.▲l～島——————■一電磁鐵圖2光纖光柵傳感裝置Fig.2FiberBragggratingsensorsystem光纖光柵在應變或應力的作用下,其布喇格波長A的漂移,主要由于在

6、應力的作用下,光柵周期改變,同時由于彈光效應,光纖的有效折射率也會發(fā)生變化.光纖光柵的布喇格波長隨應變變化的關系基本也是線性的,其表達式為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變;P和P,為Poekel系數(shù).如果應變是均勻的且各向同性,FBG又是普通的石英光纖光柵,則對于FBG的應變調諧,拉伸和光彈效應的共同作用產生的調諧范圍為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,縱向壓縮則會使A向短波方向移動.FBG1傳感光柵粘貼于懸臂梁的上方一面上.當懸臂梁在上述磁場作用下振動時,梁的上方一面產生拉應力.又光纖的直徑較懸臂梁的厚度小得多,懸臂梁振動又較小,所以可近似認為FBG1處于縱向拉伸狀態(tài),因而A向長波方向移動.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反射譜及其調諧范圍內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