光纖光柵傳感器.ppt

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1、一、光纖光柵簡介1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次從接錯光纖中觀察到了光子誘導(dǎo)光柵。Hill的早期光纖是采用488nm可見光波長的氛離子激光器，通過增加或延長注入光纖芯中的光輻照時間而在纖芯中形成了光柵。后來Meltz等人利用高強(qiáng)度紫外光源所形成的干涉條紋對光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光在該光纖芯中產(chǎn)生折射率調(diào)制或相位光柵。1989年，第一支布拉格諾振波長位于通信波段的光纖光柵研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技術(shù)，它主要是利用紫外光透過相位掩模板后的士1級衍射光形成的干涉光對光纖曝光，使纖芯折射率產(chǎn)生周期性變化

2、寫入光柵，此技術(shù)使光纖光柵的制作更加簡單、靈活，便于批量生產(chǎn)。1993年Alkins等人采用了低溫高壓氫擴(kuò)散工藝提高光纖的光敏特性。這一技術(shù)使大批量、高質(zhì)量光纖光柵的制作成為現(xiàn)實(shí)。這種光纖增敏工藝打破了光纖光柵制作對光纖中鍺含量的依賴，使得可選擇的光纖種類擴(kuò)展到了普通光纖，它還大大提高了光致折變量(由10-5最大提高到了10-20），這樣可以在普通光纖上制作出高質(zhì)量的光纖光柵。光纖光柵當(dāng)光波通過折射率周期性變化的光學(xué)介質(zhì)時，光波的相位會產(chǎn)生周期性的變化，因此這種折射率周期性變化的光學(xué)介質(zhì)就是光柵，稱為折射率型光柵。光纖光柵就是典型的折射率型光

3、柵?，F(xiàn)在，所有的在光纖中制作的光柵都可以稱為光纖光柵。二、光纖光柵定義三、光纖光柵制作基本原理光纖光柵是利用光纖材料的光敏性制作的。所謂光敏性，就是指當(dāng)材料被外部光照射時，引起該材料物理或化學(xué)特性的暫時或永久性變化的一種特性。在外部光源照射時，光纖的折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系并可以被保留下來，成為光纖光柵。四、光纖光柵分類1.按周期可分為：布拉格光柵（反射光柵或短周期光柵）長周期光柵（透明光柵）2.按折射率調(diào)制強(qiáng)度來劃分：弱折射率調(diào)制光纖光柵強(qiáng)折射率調(diào)制光纖光柵3.按光柵平面是否有傾角劃分：Blazed光

4、柵非Blazed光柵光纖光柵傳感器光纖光柵廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、壓力、磁場等多種測量場合。在過去20多年里，光纖光柵傳感器的制作、封裝、檢測和多路復(fù)用技術(shù)都取得了很大的進(jìn)步，使得它們的應(yīng)用日趨成熟。這里我們主要介紹布拉格光纖光柵的傳感原理、調(diào)解方法、分類及簡單的應(yīng)用。FBG：FiberBraggGrating的縮寫，即布拉格光纖光柵。當(dāng)光以α1入射時，將α2以衍射，且滿足布拉格衍射方程nsinα1-nsinα2=mλ/Λ式中，Λ是光柵周期，n為介質(zhì)折射率，m為布拉格衍射級數(shù)。光纖中，光傳播有效折射率簡化為neff=nsinα。當(dāng)m為1時有：n

5、eff1-neff2=λ/Λ從而得到λ=（neff1-neff2）Λ當(dāng)α2=-α1時，λ=2neff1Λ=2Λ當(dāng)滿足上式的光柵就稱為布拉格光柵。光纖光柵傳感原理溫度、應(yīng)變和應(yīng)力的變化會引起光纖光柵的柵距和折射率的變化，從而使光纖光柵的反射和透射譜發(fā)生變化。通過檢測光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度、應(yīng)變和壓力信息，這就是用光纖光柵測量溫度、應(yīng)變和壓力的基本原理。光纖光柵傳感原理圖●溫度靈敏度溫度影響B(tài)ragg波長是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。假設(shè)均勻壓力場和軸向應(yīng)力場保持恒定，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為式中α為光纖的熱

6、膨脹系數(shù)。●應(yīng)變（力）靈敏度應(yīng)變（力）影響B(tài)ragg波長是由于光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的。FBG的波長漂移△λBS和它所受的縱向應(yīng)變△ε的關(guān)系為：△λBS=λB（1-ρα）△ε式中ρα是光纖的彈光系數(shù)，ρα=n*n/2[ρ11–ν(ρ11–ρ12)]ρ11和ρ12是光纖的光學(xué)應(yīng)力張量，ν是泊松系數(shù)?！駢毫`敏度壓力影響也是由光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的。假設(shè)溫度場和軸向拉力保持恒定，光纖處于一個均勻壓力場P中，軸向應(yīng)變會使光柵的柵距改變，即：有效折射率的變化為：其壓力靈敏度為：FBG傳感器調(diào)解方法1.邊緣濾波器法邊緣濾波器法中輸入波長漂

7、移量和輸出量光強(qiáng)度變化量線性關(guān)系，這種方法是通過探測濾波器的輸出強(qiáng)度來計算波長漂移量的變化。2.可調(diào)諧濾波器法可調(diào)諧濾波器法可以用于測試FBG的波長飄移，其主要是利用了可調(diào)諧濾波器的輸出是FBG輸出譜和可調(diào)諧濾波器譜的卷積的原理，測量的分辨率主要取決于FBG返回信號的信噪比，以及可調(diào)諧濾波器和FBG的帶寬。3.干涉儀掃描法1992年和1993年，Kersey等人報道了干涉儀掃描法可以用于測量因應(yīng)變或溫度引起的FBG波長漂移量，這種方法在動態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測量中具有較高的分辨率。4.雙腔干涉儀掃描法1996年，Rao等人提出可以在干涉儀中使用長短

8、兩個腔，以得到兩組干涉條紋，利用這兩組干涉條紋可以提高絕對測量范圍。FBG的分類根據(jù)傳感器與被測結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系可分為表面式和埋入式。根據(jù)傳感器封裝方式的不同,可