光纖光柵傳感器研究應(yīng)用簡介

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1、光纖光柵傳感器研究應(yīng)用簡介交通運(yùn)輸學(xué)院運(yùn)輸1001壽濤10251016內(nèi)容提要：作為現(xiàn)代傳感技術(shù)的重要分支，光纖傳感技術(shù)在許多領(lǐng)域具有替代傳統(tǒng)傳感器、彌補(bǔ)傳感領(lǐng)域空白的先天優(yōu)勢。本文關(guān)注著光柵，以光纖光柵傳感器為核心，了解光纖光柵的歷史，工作原理，有選擇地介紹了光纖光柵傳感的兩項(xiàng)核心技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和封裝技術(shù)）中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；同時(shí)關(guān)注著光纖光柵傳感器的應(yīng)用以及前景，內(nèi)容覆蓋了光纖光柵傳感領(lǐng)域的方方面面，特別是對傳感器的討論細(xì)致、深入，并列舉了大量的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例。對學(xué)科最新技術(shù)和進(jìn)展的介紹全面、貼近工程應(yīng)用實(shí)

2、際。關(guān)鍵詞：光纖傳感器光纖光柵分類原理技術(shù)研究方向應(yīng)用光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的新型傳感器，與常規(guī)的各類傳感器相比有很多優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器原理:研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi),外界信號與光的相互作用,即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理，外界信號可能引起光的強(qiáng)度,波長,頻率,相位,偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化,從而形成不同的調(diào)制。光纖光柵傳感器是光纖傳感器的一種，單是單純的光纖傳感器是分布式測量，不支持實(shí)時(shí)測量，光纖光柵傳感器是多點(diǎn)測量，支持實(shí)時(shí)測量，光纖光柵傳感器是利用光纖光柵的形變導(dǎo)致的光波波長位移來測應(yīng)力應(yīng)變溫

3、度等等，而光纖傳感器是利用光波被外界環(huán)境調(diào)制引起參數(shù)變化，比如光強(qiáng)、波長、頻率、相位等。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。1、光纖光柵的歷史淵源1978年加拿大渥太華通信研究中心的K·O·Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。1989年，美國聯(lián)合技術(shù)研究中心

4、的G·Meltz等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。1993年，K.O.Hill等人利用紫外激光通過相位模板后的+1級衍射光相干形成的周期性明暗條紋對光纖曝光，制作光纖光柵，提出了相位掩模成柵技術(shù)。同年，P.J.Lemaire等人提出了一種簡單而有效的光纖敏化技術(shù)。自此光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没苍谑澜绺鞯叵破鹆斯饫w光柵技術(shù)及其應(yīng)用的研究熱潮。2、光纖光柵傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有非常明顯的技術(shù)

5、優(yōu)勢：（1）可靠性好、穩(wěn)定性高。（2）傳感部分是全光纖結(jié)構(gòu)，沒有任何電壓、電流信號，防靜電、無火花、耐腐蝕。（3）測量精度高、不受強(qiáng)電磁信號影響。（4）單路光纖上可以串聯(lián)成多個(gè)光纖傳感器，測量點(diǎn)數(shù)多，傳輸距離遠(yuǎn)。（5）支持無人值守監(jiān)測站應(yīng)用。（6）系統(tǒng)集成度高，可與局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)以及MIS系統(tǒng)方便連接，方便管理。（7分布式測量，耐久性好。（8）實(shí)時(shí)性好，24小時(shí)不斷監(jiān)測，不受人為因素的影響，將人為事故降至最低。3、光纖光柵-基本分類3.1光纖光柵按其空間周期和折射率系數(shù)分布特性可分為：①均勻周期光纖布喇

6、格光柵②啁啾光柵③閃耀光柵④長周期光柵⑤相移光柵。此外還有Tapered光纖光柵，取樣光纖光柵、Tophat光柵、超結(jié)構(gòu)光柵等。3.2根據(jù)光纖光柵的成柵機(jī)理來分可分為三種：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型。①Ⅰ型光柵：即最常見的光柵，可成柵在任何類型的光敏光纖上②ⅡA型光柵：成柵于高摻鍺（15％mol）光敏光纖或硼鍺共摻光敏光纖上，曝光時(shí)間較長。成柵機(jī)理于Ⅰ型不同。③Ⅱ型光柵：由單個(gè)高能量光脈沖（大于0.5J/cm2）曝光形成。原理光柵測量的基本原理4、光纖光柵傳感器的工作原理我們知道，光柵的Bragg波長lB由下式

7、決定：lB=2nL式中，n—芯模有效折射率；L—光柵周期。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實(shí)現(xiàn)對磁場的直接測量。4.1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對單參數(shù)的定點(diǎn)測量很有效，但在需要同時(shí)測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時(shí)就顯得力不從

8、心。此時(shí)，采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。啁啾光纖光柵傳感器的工作原理圖啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應(yīng)變的影響，啁啾光纖光柵反射信號會拓寬，峰值波長也會發(fā)生位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn／dT)，僅會