光纖光柵傳感原理.docx

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1、FBG傳感器基本結(jié)構(gòu)及傳感原理光纖光柵是一段纖芯中具有折射率周期性變化結(jié)構(gòu)的光纖，利用光纖的光敏特性制成的，由于石英光纖具有紫外光敏特性，故可在光纖上直接制作光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成光纖波導(dǎo)器件，相當(dāng)于在纖芯內(nèi)有一個(gè)窄帶濾波器或者反射鏡。基于光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量對(duì)布拉格中心波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。它具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：(l)抗干擾能力強(qiáng)。一方面是因?yàn)槠胀ǖ膫鬏敼饫w不會(huì)影響傳輸光波的頻率特性；另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強(qiáng)起伏引起的干擾。(2)傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，適合于許多工程應(yīng)用場(chǎng)合，

2、尤其是智能材料與結(jié)構(gòu)。(3)測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。(4)能進(jìn)行波長(zhǎng)編碼，便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。(5)制作時(shí)對(duì)光纖無(wú)機(jī)械損傷，是一種本征傳感器，可靠性好。(6)波長(zhǎng)移動(dòng)響應(yīng)快，線性輸出動(dòng)態(tài)范圍寬。(7)具有波長(zhǎng)自參考特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量。(8)具有對(duì)環(huán)境干擾不敏感性。光纖光柵是利用摻雜光纖的紫外光敏特性，通過空間周期性強(qiáng)紫外激光照射使外界入射光子和纖芯里面的摻雜粒子相互作用，使纖芯形成折射率沿軸向非周期性或周期性分布的結(jié)構(gòu)，從而形成空間相位光柵。FBG結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，內(nèi)層為纖芯結(jié)構(gòu)，外層為包層結(jié)構(gòu)，纖芯的折射率比包層的折射

3、率稍大。圖中Λ為光柵的周期，當(dāng)光波通過FBG傳感器時(shí)，滿足特定波長(zhǎng)的光被光纖光柵反射回去，其他波長(zhǎng)的光透過【】。圖1光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)光纖耦合模理論，光纖Bragg光柵的諧振方程為：(1)式中λB為光纖Bragg中心波長(zhǎng)；neff為纖芯有效折射率；Λ為光柵周期。由此可知FBG傳感器中心波長(zhǎng)由其纖芯有效值折射律和光柵周期共同決定。對(duì)（1）式微分得：（2）由（2）式可知，neff或Λ改變時(shí)，光纖Bragg中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移。由于無(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，均會(huì)導(dǎo)致光柵周期Λ發(fā)生變化；此外，光纖本身具有的彈光效應(yīng)決定了其有效折射率ne

4、ff必隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。應(yīng)力應(yīng)變引起光柵布喇格(FBG)波長(zhǎng)漂移可用下式表述：（3）式中Pe為FBG的彈光系數(shù)；K為測(cè)量應(yīng)變的靈敏度。溫度變化引起FBG波長(zhǎng)漂移可用下式表述：（4）式中，α為FBG的熱膨脹系數(shù)，ξ為FBG的熱光系數(shù)。在同種溫度環(huán)境下，采用光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器可以克服溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。因此，這使得應(yīng)力應(yīng)變成為所有反映引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移的最直接外界因素。由于該傳感器在結(jié)構(gòu)檢測(cè)中只需要檢測(cè)光纖光柵波長(zhǎng)分布圖中波峰的準(zhǔn)確位置，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，故對(duì)光強(qiáng)的波動(dòng)不敏感，比一般的光纖傳感器具有更高的抗干擾能力，且具有優(yōu)異的

5、變形匹配特性。當(dāng)外界被測(cè)量引起光纖光柵溫度、應(yīng)力或磁場(chǎng)改變時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致反射中心波長(zhǎng)的變化。因此，通過測(cè)量光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化就可以反映出外界被測(cè)信號(hào)的變化。2.1.2FBG傳感網(wǎng)絡(luò)復(fù)用及解調(diào)原理FBG傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括傳感部分和解調(diào)部分，解調(diào)部分是傳感網(wǎng)絡(luò)話的基礎(chǔ)，其中傳感光柵的復(fù)用是關(guān)鍵技術(shù)。復(fù)用技術(shù)可以是用多個(gè)傳感器共用同一光源和解調(diào)系統(tǒng)，從而降低成本，簡(jiǎn)化設(shè)備。通常情況下可以通過對(duì)光載波的頻譜、幅度、相位或偏振情況進(jìn)行調(diào)制編碼。圖2是簡(jiǎn)單的FBG傳感網(wǎng)絡(luò)復(fù)用的原理圖。圖2FBG傳感網(wǎng)絡(luò)復(fù)用的原理圖光纖光柵傳感系統(tǒng)包括傳感部分和解調(diào)部分

6、，而目前解調(diào)部分是影響光纖光柵傳感實(shí)用化的關(guān)鍵。傳感過程是通過外界參量對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，而解調(diào)過程恰好相反，是將反射波長(zhǎng)的變化量轉(zhuǎn)化為我們未知的外界參量信息的過程。圖中多個(gè)FBG傳感器反射光波長(zhǎng)為λ1，λ2，…，λn，不同中心波長(zhǎng)的FBG傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)陣列，分別感應(yīng)待測(cè)結(jié)構(gòu)沿線分布各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變，并使它們的反射光波長(zhǎng)發(fā)生改變；不同的改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳出，通過光纖光柵解調(diào)器探測(cè)其波長(zhǎng)改變量的大小，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；由二次儀表計(jì)算出待測(cè)結(jié)構(gòu)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變大小，從而獲得整個(gè)待測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布狀況。2

7、.1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的損傷、缺陷會(huì)引起外界應(yīng)力場(chǎng)的變化，將FBG傳感器埋入復(fù)合材料粘接膠層內(nèi)部，構(gòu)成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，通過建立膠層內(nèi)部應(yīng)變模態(tài)變化引起的FBG傳感器中心波長(zhǎng)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)損傷的檢測(cè)的目的。FBG傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2.3所示。該系統(tǒng)包括FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)陣列、光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)、PC上位機(jī)及相關(guān)軟件。其中FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)陣列位置分布對(duì)實(shí)際測(cè)量具有關(guān)鍵作用，其位置和性能直接影響檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確度和強(qiáng)度。圖2.3FBG傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖圖2.3中不同反射光波長(zhǎng)的FBG傳感器由光纖作為光波傳輸通道相連接，并埋入復(fù)合材

8、料膠接層內(nèi)部，光接口與光纖光柵解調(diào)儀相連接，計(jì)算機(jī)用于對(duì)光纖光柵解調(diào)儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。在傳感過程中，光纖光柵解調(diào)儀發(fā)出寬帶光源通過傳輸通道進(jìn)入FBG傳感器