實(shí)驗(yàn)力學(xué)第6章-1綜述.

1、6.1 6.1 光纖傳感器光纖傳感器( (FOS，F(xiàn)iber Optical Sensor)第第6 6章章 現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù) 課程課程實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1.1.光纖導(dǎo)光光纖導(dǎo)光的基本原理的基本原理 1).1).光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)12,1%nn6.1.1.6.1.1.光纖的基本概念光纖的基本概念40-50um裸光纖裸光纖5-10m23mm高高錕錕2009諾貝諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)爾物理學(xué)獎(jiǎng)2n1n2).2).菲涅爾折射定理菲涅爾折射定理n1n2ri(a)(a)光的折射示意圖光的折射示意圖 n1sini=n2sinr n1n2r=90i0(b)(b)臨界狀態(tài)示意圖臨界狀態(tài)示意圖 n1n2ri(c)(c)光全反

2、射示意圖光全反射示意圖 i0=arcsin(n2/n1)ii0光由光由光密物質(zhì)入射至光疏物質(zhì)光密物質(zhì)入射至光疏物質(zhì)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)n n1 1n n2 2，有，有r ri i 3).3).數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA NA (Numerical Aperture, NA) 2111000sinsin(90)cos1 sinikKKnnnnnn0112sinsinsinsinijkrnnnn1021sin(/)sinsin(/)sinijkrnnnnjk90,因所以光纖導(dǎo)光示意圖光纖導(dǎo)光示意圖jikrABCDEFK00n0n2n1Gn0空氣折射率空氣折射率n1纖芯折射率纖芯折射率n2包層折射率包層折射率ar

3、csin(NA)是一臨界角是一臨界角,凡入射角凡入射角iarcsin(NA)的光的光線進(jìn)入光纖都不能傳播而在包層消失；只有線進(jìn)入光纖都不能傳播而在包層消失；只有入射角入射角iarcsin(NA)的光線才可進(jìn)入光纖被全反射傳播的光線才可進(jìn)入光纖被全反射傳播 。222212120101sin1sinsinirrnnnnnnn02212sinNAinn222012sinsinirnnnr9001n 210sin1 siniKnnjikrABCDEFK00n0n2n1G2.2.光纖分類光纖分類根據(jù)根據(jù)折射率分布函數(shù)折射率分布函數(shù): : 階躍光纖、漸變（梯度）光纖階躍光纖、漸變（梯度）光纖階躍光纖階躍光

4、纖折射率分布函數(shù)折射率分布函數(shù)梯度光纖梯度光纖折射率分布函數(shù)折射率分布函數(shù)n1n2n(x) x2rn1n1n2n(x) x2rn1單模光纖單模光纖（長(zhǎng)距離）（長(zhǎng)距離）多模光纖多模光纖（短距離）（短距離）5-105-10 m m50-6050-60m m只傳一種模式的光只傳一種模式的光用激光做光源用激光做光源可傳多種模式的光，可傳多種模式的光，耦合器耦合器及接線器及接線器按按傳榆模數(shù)傳榆模數(shù)分類分類按按材料材料分類分類 高純度高純度石英石英玻璃纖維玻璃纖維通信通信光纖光纖 低純度玻璃低純度玻璃光纖、光纖、塑料塑料光纖光纖 醫(yī)用、照明醫(yī)用、照明按按用途用途分類分類 通信通信光纖（光纖（SiOSiO

5、2 2） 非通信非通信光纖（低純度玻璃、塑料）光纖（低純度玻璃、塑料）2.2.光纖分類光纖分類6.1.2.6.1.2.光纖傳感器光纖傳感器光纖光纖信號(hào)處理系統(tǒng)信號(hào)處理系統(tǒng)光接收器光接收器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器光纖傳感器光纖傳感器1.1.光纖傳感器構(gòu)成光纖傳感器構(gòu)成把把被測(cè)量被測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)光信號(hào)的的裝置裝置。根據(jù)光纖在傳感器中作用：根據(jù)光纖在傳感器中作用：本征型本征型、非本征型、非本征型2.光纖傳感器光纖傳感器分類分類信號(hào)處理光接收器敏感元件光發(fā)送器光纖非本征型非本征型（傳光型）（傳光型）傳導(dǎo)傳導(dǎo)信號(hào)處理光接收器光纖光發(fā)送器本征型本征型（傳感型）（傳感型）傳導(dǎo)傳導(dǎo)

6、 + 傳感傳感3.3.工作原理工作原理來自光源的光經(jīng)光纖送入來自光源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制器調(diào)制器，使，使待測(cè)參數(shù)待測(cè)參數(shù)與輸入與輸入調(diào)調(diào)制區(qū)的光相互作用制區(qū)的光相互作用，導(dǎo)致光某些特性，導(dǎo)致光某些特性( (強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)率、相位、偏振態(tài)等等) )發(fā)生發(fā)生變化變化，成為被調(diào)制，成為被調(diào)制信號(hào)光信號(hào)光，再經(jīng)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)再經(jīng)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)器解調(diào)獲得解調(diào)獲得被測(cè)參數(shù)被測(cè)參數(shù)。CTtAE，)sin(入射光纖出射光纖光源輸出強(qiáng)度強(qiáng)度調(diào)制調(diào)制相位調(diào)相位調(diào)制制頻率調(diào)頻率調(diào)制制偏振態(tài)偏振態(tài)調(diào)制調(diào)制波長(zhǎng)調(diào)制波長(zhǎng)調(diào)制光的波動(dòng)方程：根據(jù)根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的光受被測(cè)對(duì)象

7、的調(diào)制形式調(diào)制形式1 1）強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制利用利用被測(cè)量被測(cè)量變化引起變化引起敏感元件敏感元件的的折射率、吸收或反射折射率、吸收或反射等等參數(shù)的變化，而參數(shù)的變化，而導(dǎo)致導(dǎo)致光強(qiáng)光強(qiáng)變化變化實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。小位移小位移調(diào)制、調(diào)制、微彎損耗光強(qiáng)微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制、調(diào)制、吸收特性吸收特性強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制sinAEt2 2）偏振偏振調(diào)制調(diào)制- -法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng)、雙折射雙折射效應(yīng)效應(yīng)3 3）頻率頻率調(diào)制調(diào)制- -喇曼喇曼、多普勒多普勒效應(yīng)、效應(yīng)、光致發(fā)光光致發(fā)光4 4）相位相位調(diào)制調(diào)制- -磁致伸縮磁致伸縮、電致伸縮電致伸縮、光彈光彈效應(yīng)效應(yīng)5 5）波長(zhǎng)波長(zhǎng)調(diào)制

8、調(diào)制- -多點(diǎn)測(cè)量多點(diǎn)測(cè)量, ,解調(diào)技術(shù)復(fù)雜解調(diào)技術(shù)復(fù)雜邁克爾遜光纖干涉儀原理圖邁克爾遜光纖干涉儀原理圖指指 標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng) 度度 型型相相 位位 型型光光 柵（波長(zhǎng)柵（波長(zhǎng)) )精度精度低低較高較高高高加工工藝加工工藝簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單復(fù)雜復(fù)雜較復(fù)雜較復(fù)雜成本成本低低高高較低較低技術(shù)成熟性技術(shù)成熟性成熟成熟較成熟較成熟成熟成熟可否分布測(cè)量可否分布測(cè)量( (成網(wǎng)成網(wǎng)) )可以可以不不可以可以嵌入性（兼容性）嵌入性（兼容性）可以可以較難較難很好很好線性度線性度一般一般一般一般很好很好變形能力變形能力好好差差好好性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定較好較好較好較好好好耐久性耐久性好好較好較好好好監(jiān)測(cè)參數(shù)監(jiān)測(cè)參數(shù)多多少少多多響應(yīng)頻率帶

9、寬響應(yīng)頻率帶寬寬寬窄窄寬寬信號(hào)解調(diào)設(shè)備信號(hào)解調(diào)設(shè)備簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜三種光纖傳感器定性比較三種光纖傳感器定性比較結(jié)論：結(jié)論：光纖光柵光纖光柵是是局部監(jiān)測(cè)局部監(jiān)測(cè)的最佳選擇的最佳選擇4. 光纖光柵傳感器優(yōu)點(diǎn)：光纖光柵傳感器優(yōu)點(diǎn)：p 分布式或準(zhǔn)分布式分布式或準(zhǔn)分布式測(cè)量，測(cè)量，多點(diǎn)或多參數(shù)多點(diǎn)或多參數(shù)測(cè)量；測(cè)量；p 探頭尺寸小探頭尺寸小，直徑與光纖等同，直徑與光纖等同, ,埋入測(cè)量；埋入測(cè)量；p 波長(zhǎng)調(diào)制，波長(zhǎng)調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)；p 耐久性好耐久性好，退火，退火，1515年；年；p 傳感傳輸一體傳感傳輸一體，易于構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)；，易于構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)；p 單根光纖單端檢測(cè)，單根光纖單端檢測(cè)，減

10、少傳輸減少傳輸線；線；p 抗電磁干擾抗電磁干擾，光在纖芯中傳輸；，光在纖芯中傳輸；6.1.3.光纖光柵光纖光柵傳感器傳感器1.1.基本概念基本概念定義定義：一段纖芯一段纖芯的的折射率折射率呈呈周期性變化周期性變化的的光纖光纖。功能功能：相當(dāng)于一個(gè)窄帶反射鏡，：相當(dāng)于一個(gè)窄帶反射鏡，只反射只反射某一波某一波 長(zhǎng)長(zhǎng)附近附近的的光光，其他光無損耗通過。，其他光無損耗通過。分類分類：BraggBragg光柵光柵、長(zhǎng)周期光柵、啁啾光柵、長(zhǎng)周期光柵、啁啾光柵 Bragg光柵（光柵（反射光柵反射光柵，短周期光柵，短周期光柵 ）長(zhǎng)周期光柵（透射光柵）長(zhǎng)周期光柵（透射光柵），周期為幾十至幾百，周期為幾十至幾百m

11、啁啾光柵啁啾光柵，周期不是常數(shù)，周期不是常數(shù)分類分類：BraggBragg光柵光柵、長(zhǎng)周期光柵、啁啾光柵長(zhǎng)周期光柵、啁啾光柵 1um 透射光譜透射光譜 光束光束1光束光束2布拉格光柵結(jié)構(gòu)布拉格光柵結(jié)構(gòu)包層包層纖芯纖芯單模摻鍺（硅）光纖單模摻鍺（硅）光纖經(jīng)經(jīng)紫外光紫外光照射成柵技術(shù)形成。照射成柵技術(shù)形成。成柵后的光纖成柵后的光纖纖芯折射率纖芯折射率呈現(xiàn)呈現(xiàn)周期性分布條紋周期性分布條紋。 2 2 光纖光纖Bragg光柵光柵的成柵方法的成柵方法雙光束干涉寫入技術(shù)雙光束干涉寫入技術(shù) 相位掩膜寫入技術(shù)相位掩膜寫入技術(shù)直接寫入技術(shù)直接寫入技術(shù)在線成柵技術(shù)在線成柵技術(shù)光敏性光敏性：在：在244nm紫外光紫外

12、光照射下，光纖照射下，光纖折射率隨光折射率隨光強(qiáng)發(fā)生永久變化的特性強(qiáng)發(fā)生永久變化的特性。/ 2（1 1）FBGFBG傳感器基本原理傳感器基本原理當(dāng)當(dāng)一寬譜光源入射一寬譜光源入射光纖光纖Bragg光柵時(shí)，光柵時(shí)，光柵將光柵將反射反射以以布布喇格喇格波長(zhǎng)波長(zhǎng) B 為中心波長(zhǎng)的為中心波長(zhǎng)的窄譜分量窄譜分量，其他的光透射。，其他的光透射。3. Bragg光柵光柵 (Fiber Bragg Grating, FBG) 纖芯纖芯包層包層折射率折射率 n2有效折射率有效折射率 neff光柵周期光柵周期折射率折射率透射透射反射反射2nBeff應(yīng)變、溫度應(yīng)變、溫度的的變化變化會(huì)會(huì)引起引起FBGFBG的的周期周期

13、( () )和和有效折射有效折射率變化（率變化（neff），從而使，從而使FBGFBG的反射波長(zhǎng)變化的反射波長(zhǎng)變化。FBGFBG傳傳感器通過感器通過測(cè)量布拉格波長(zhǎng)的漂移測(cè)量布拉格波長(zhǎng)的漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量檢測(cè)。2nfBe fBeffn 光纖光柵的纖中心波長(zhǎng)有效折射率芯的光柵周期22Beffeffnn effBBeffnn2Beffn兩邊微分兩邊微分應(yīng)變、溫度應(yīng)變、溫度的的變化變化會(huì)會(huì)引起引起FBGFBG的的周期周期( () )和和有效折射率有效折射率變化（變化（neff），從而使，從而使FBGFBG的反射波長(zhǎng)變化的反射波長(zhǎng)變化。FBGFBG傳感傳感器通過器通過測(cè)量布拉格波長(zhǎng)的漂移測(cè)

14、量布拉格波長(zhǎng)的漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量檢測(cè)。(1). FBG有效折射率變化有效折射率變化211122121112(1)()2-= 2 -effefeffffeefPPnPPPnPnn 纖芯的纖芯的泊松比泊松比；P11, P12 纖芯材纖芯材料的料的彈光系數(shù)彈光系數(shù)。31112(1)2effeffnnPP有效彈光系數(shù)有效彈光系數(shù)1）FBG應(yīng)變傳感特性應(yīng)變傳感特性溫度不變溫度不變 軸向力軸向力作用下作用下光纖光柵產(chǎn)生光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變-effeeffnPn(1)effeeBBffKnPn(2). FBG光柵光柵周期變化周期變化為為-effeeffnPn(1). FBG光柵光柵有效

15、折射率變化有效折射率變化為為Bragg光柵光柵應(yīng)變靈敏度應(yīng)變靈敏度對(duì)于普通的石英光纖對(duì)于普通的石英光纖，0.22,1550eBPnm1）FBG應(yīng)變傳感特性應(yīng)變傳感特性溫度不變溫度不變 則應(yīng)變每變化則應(yīng)變每變化1 1，BraggBragg光柵波長(zhǎng)漂移約為光柵波長(zhǎng)漂移約為1.21pm只考慮溫度變化只考慮溫度變化 BTBTKTT 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)(1).(1).由由熱膨脹效應(yīng)熱膨脹效應(yīng)引起的引起的光柵周期變化光柵周期變化為為T2 2）FBGFBG溫度傳感特性溫度傳感特性無應(yīng)力條件下無應(yīng)力條件下 (2).(2).由由熱光效應(yīng)熱光效應(yīng)引起的引起的有效折射率的變化有效折射率的變化為為effeffnnT

16、熱光系數(shù)熱光系數(shù)61550,7.5 10/12/Tnm KCpmC，中心波長(zhǎng)漂移約為effBBeffnn2121112()2;effenPppp熱光系數(shù)熱，膨脹系數(shù)彈光系數(shù)3 3）FBGFBG傳感器隨傳感器隨應(yīng)力與溫度應(yīng)力與溫度的的同時(shí)變化同時(shí)變化()1eBBBTBPKTTK忽略忽略溫度與應(yīng)變之間的溫度與應(yīng)變之間的交叉敏感交叉敏感4 4） FBG FBG傳感器的傳感器的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量技術(shù)技術(shù) FBG1FBG2111/BBTKKT222/=BBTKT122211/()/BBBBTTKKKa. 參考光纖光柵法參考光纖光柵法相相同同受外力作用受外力作用不受外力作用不受外力作用,

17、相同環(huán)境溫度相同環(huán)境溫度傳感光柵傳感光柵參考光柵參考光柵FBG1FBG21111/BBTKKTb. 光柵疊加法光柵疊加法光纖的相同位置刻不同中心波長(zhǎng)的光柵光纖的相同位置刻不同中心波長(zhǎng)的光柵相相同同受相同外力受相同外力+環(huán)境溫度作用環(huán)境溫度作用4 4） FBG FBG傳感器的傳感器的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量技術(shù)技術(shù) 2222/BBTKKT相相同同2套解調(diào)設(shè)備套解調(diào)設(shè)備應(yīng)變或溫度應(yīng)變或溫度寬帶光源寬帶光源F-P腔腔 壓電調(diào)節(jié)片壓電調(diào)節(jié)片掃描電壓掃描電壓5 5）光纖）光纖FBGFBG光柵光柵解調(diào)原理解調(diào)原理波長(zhǎng)解調(diào)波長(zhǎng)解調(diào)耦合器耦合器可調(diào)諧光纖可調(diào)諧光纖法布里法布里- -珀羅（珀羅（F-

18、P)F-P)腔濾波器法腔濾波器法單根光纖實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量單根光纖實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量探測(cè)器探測(cè)器高反射鏡高反射鏡高反射鏡高反射鏡最大光強(qiáng)最大光強(qiáng)應(yīng)變或溫度應(yīng)變或溫度寬帶光源寬帶光源F-P腔腔 壓電調(diào)節(jié)片壓電調(diào)節(jié)片掃描電壓掃描電壓耦合器耦合器單根光纖實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量單根光纖實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量探測(cè)器探測(cè)器高反射鏡高反射鏡高反射鏡高反射鏡最大光強(qiáng)最大光強(qiáng)6 6）光纖光纖FBGFBG光柵傳感網(wǎng)絡(luò)光柵傳感網(wǎng)絡(luò)寬帶光源窄帶濾波寬帶光源窄帶濾波(F-P)(F-P)波長(zhǎng)掃描法波長(zhǎng)掃描法波分復(fù)用波分復(fù)用技術(shù)技術(shù)解調(diào)儀每通道可接光柵傳感器個(gè)數(shù)解調(diào)儀每通道可接光柵傳感器個(gè)數(shù)(1(1個(gè)通道）個(gè)通道）nINTk ykBraggy 解調(diào)儀的波

19、長(zhǎng)范圍；光纖光柵的靈敏度；每個(gè)光柵的應(yīng)變量程范圍；一般解調(diào)儀波長(zhǎng)范圍一般解調(diào)儀波長(zhǎng)范圍為為50nm70nm.9122000,400050 10=121 104000uyunINTINTk y如應(yīng)變范圍為即，則1/1,=50nm50000.kuuum波長(zhǎng)范圍可表征如光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn) 針對(duì)針對(duì)時(shí)分復(fù)用技術(shù)時(shí)分復(fù)用技術(shù)，開發(fā)針對(duì)橋梁光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的光開關(guān)控，開發(fā)針對(duì)橋梁光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的光開關(guān)控制程序。通過計(jì)算機(jī)制程序。通過計(jì)算機(jī)R232串口控制光開關(guān)光路切換串口控制光開關(guān)光路切換。該程序可。該程序可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)四臺(tái)以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)四臺(tái)136光開關(guān)通道切換控制?？梢詮拿颗_(tái)光光開

20、關(guān)通道切換控制?？梢詮拿颗_(tái)光開關(guān)開關(guān)36支光路中，選擇待測(cè)光路，設(shè)置待測(cè)光路切換時(shí)間間隔與支光路中，選擇待測(cè)光路，設(shè)置待測(cè)光路切換時(shí)間間隔與循環(huán)采集時(shí)間間隔。光開關(guān)最小切換時(shí)間間隔為循環(huán)采集時(shí)間間隔。光開關(guān)最小切換時(shí)間間隔為10ms。光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)337）光纖埋入）光纖埋入FRP（Fiber Reinforced Polymer/Plastic）筋的方法）筋的方法強(qiáng)度高強(qiáng)度高耐腐蝕耐腐蝕易布設(shè)易布設(shè)工業(yè)化工業(yè)化。FRP的力學(xué)性能的力學(xué)性能 和腐蝕特性和腐蝕特性 光柵智能特性光柵智能特性 FRP-OFBG結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料（1）FRP-OFBG筋筋34 旋轉(zhuǎn)拉

21、力機(jī) 加熱爐 帶光柵光纖 滑輪 樹脂 分束盤 合束盤 FRP纖維束 纖維束 7）光纖埋入）光纖埋入FRP筋的方法筋的方法357）光纖埋入）光纖埋入FRP筋的方法筋的方法36 FRP-OFBG微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu) 縱剖面縱剖面 橫截面橫截面 7）光纖埋入）光纖埋入FRP筋的方法筋的方法37FRP-OFBG筋力學(xué)特性試驗(yàn)筋力學(xué)特性試驗(yàn)05001000150020002500300035004000450050000100200300400500600700應(yīng)變（） 應(yīng)力（MPa） CFRP1 CFRP2 CFRP-OFBG1 CFRP-OFBG2CFRP-OFBG1551.51552.01552.51

22、553.01553.51554.01554.50200400600800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 應(yīng)變（）波 長(zhǎng)（nm） 第一次張拉 第二次張拉 第三次張拉7）光纖埋入）光纖埋入FRP筋的方法筋的方法38-60-40-200204060801001542.51543.01543.51544.01544.51545.0 =1543.567+0.01722 TR=99983波 長(zhǎng)（nm）溫度 （） 實(shí) 測(cè) 擬 合溫度標(biāo)定試驗(yàn)溫度標(biāo)定試驗(yàn)7）光纖埋入）光纖埋入FRP筋的方法筋的方法（5 5）光纖光柵傳感器的應(yīng)用）光纖光柵傳感器的應(yīng)用埋入式應(yīng)變傳感器埋入式

23、應(yīng)變傳感器焊接式應(yīng)變傳感器焊接式應(yīng)變傳感器吸附吸附式應(yīng)變傳感器式應(yīng)變傳感器-磁鐵磁鐵鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)FRP-OFBG光纖光柵寫入設(shè)備光纖光柵寫入設(shè)備光纖光柵解調(diào)儀光纖光柵解調(diào)儀光纖光柵生產(chǎn)設(shè)備光纖光柵生產(chǎn)設(shè)備光纖光柵跳線頭制作光纖光柵跳線頭制作傳感器傳感器耐久耐久標(biāo)定標(biāo)定傳感器傳感器溫度溫度標(biāo)定標(biāo)定傳感器傳感器應(yīng)變應(yīng)變標(biāo)定標(biāo)定發(fā)光器發(fā)光器 （1 1）制作工藝）制作工藝（2 2）光纖光柵智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）光纖光柵智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī) . . . 光光 纖纖 光光 柵柵 解解 調(diào)調(diào) 儀儀 FBG1 光光開開關(guān)關(guān) 1 （合合波波器器） FBGn FBGn FBG1 光光開開關(guān)關(guān) n （合合波波器器）

24、傳輸光纜 跳線 跳線 傳輸光纜 光纖適配器 . . . . . . . . . . . . . . . . 光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建 解調(diào)儀解調(diào)儀光發(fā)生器光發(fā)生器光開關(guān)光開關(guān)光纖光柵智能監(jiān)測(cè)軟件光纖光柵智能監(jiān)測(cè)軟件Dalian University of Technology448）傳感器粘貼到金屬表面的方法）傳感器粘貼到金屬表面的方法458）傳感器粘貼到金屬表面的方法）傳感器粘貼到金屬表面的方法打磨打磨傳感器布設(shè)傳感器布設(shè)玻璃玻璃布保護(hù)保護(hù)防腐保護(hù)防腐保護(hù)光纖光柵應(yīng)變傳感器布設(shè)與保護(hù)工藝 469）傳感器埋入到混凝土內(nèi)部的方法）傳感器埋入到混凝土內(nèi)部的方法479）傳感器埋入到混

25、凝土內(nèi)部的方法）傳感器埋入到混凝土內(nèi)部的方法（3）光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況：）光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況： 1 1）民用土木工程）民用土木工程2 2）航天航空工程）航天航空工程 3 3）船舶工程）船舶工程 4 4）電力工程）電力工程 5 5）石油化工業(yè)）石油化工業(yè) 6 6）核工業(yè)）核工業(yè) Sensoru 山東濱州黃河公路大橋（山東濱州黃河公路大橋（20042004）三塔雙索混凝土梁斜拉橋三塔雙索混凝土梁斜拉橋主橋全長(zhǎng)主橋全長(zhǎng)768m，橋跨布置方，橋跨布置方案案:84m(邊跨邊跨)+300m(主跨主跨) + 84m，100對(duì)斜拉索。對(duì)斜拉索。138支光纖光柵應(yīng)變與溫度傳感器支光纖光柵應(yīng)變與溫度傳感

26、器主梁截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖主梁截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖測(cè)點(diǎn)縱向受力鋼筋處測(cè)點(diǎn)縱向受力鋼筋處u輸油管線輸油管線u高鐵軌道監(jiān)測(cè)高鐵軌道監(jiān)測(cè)光纖布拉格光柵傳感器的發(fā)展光纖布拉格光柵傳感器的發(fā)展光纖光柵傳感器已經(jīng)從試驗(yàn)室走向工程應(yīng)用光纖光柵傳感器已經(jīng)從試驗(yàn)室走向工程應(yīng)用 19781978 HillHill 制作出第一根光柵制作出第一根光柵 19891989 Meltz Meltz 發(fā)明紫外寫入技術(shù)發(fā)明紫外寫入技術(shù) 19891989 Morey Morey 研究了光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感特性研究了光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感特性 19921992 Prohaska Prohaska 用光纖光柵研究大跨混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變

27、用光纖光柵研究大跨混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變 19971997 Nellen Nellen 布設(shè)布設(shè)FBGs FBGs 在在Lucerne Lucerne 與與 WinterhurWinterhur Stock Stock大橋大橋 19981998 Fuhr Fuhr 埋入埋入FBGs FBGs 在在 Waterbury Waterbury 大橋面板上大橋面板上 19991999 Udd Udd 埋入埋入FBGs Horsetail Falls FBGs Horsetail Falls 大橋上大橋上 20012001 歐進(jìn)萍?xì)W進(jìn)萍 布設(shè)布設(shè)FBGs FBGs 在黑龍江省呼蘭河等大橋上在黑龍江省呼蘭河等大橋

28、上 研究成果：研究成果： 光纖光柵溫度敏感消除技術(shù)光纖光柵溫度敏感消除技術(shù)不同熱膨脹系數(shù)材料法（不同熱膨脹系數(shù)材料法（Yoffe 等，等，1995)1995)負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料 （Iwashima 等，等，1997)1997) 2) 2) 應(yīng)變與溫度雙參量同時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)變與溫度雙參量同時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)光柵重疊法光柵重疊法 （Xu等，等，1994）光柵焊接法光柵焊接法 ( (James等，等，1996) 偏振保持法偏振保持法 (Lawvence 等，等，1996) 3)3)光纖光柵準(zhǔn)光纖光柵準(zhǔn)分布式傳感分布式傳感技術(shù)技術(shù) Rao(1996) Rao(1996) 1111個(gè)光柵個(gè)光柵說

29、明了布拉格傳感網(wǎng)絡(luò)的可行說明了布拉格傳感網(wǎng)絡(luò)的可行性與優(yōu)越性。性與優(yōu)越性。 Davis(1996) Davis(1996) 等人用等人用光柵陣列光柵陣列對(duì)復(fù)合材料包覆的混對(duì)復(fù)合材料包覆的混凝土圓柱體的拉壓變形進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)得了凝土圓柱體的拉壓變形進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)得了38003800的的最大變形量。最大變形量。Dakin(1999) Dakin(1999) 等人用等人用光柵陣列光柵陣列對(duì)異質(zhì)疊合板的疲勞對(duì)異質(zhì)疊合板的疲勞應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。4) 4) 間接測(cè)量其他物理量間接測(cè)量其他物理量 光柵加速度傳感器光柵加速度傳感器 （Willsch Willsch 等，等，20002000）

30、 光柵剪應(yīng)力傳感器光柵剪應(yīng)力傳感器 （Koulaxouzidis Koulaxouzidis 等，等，20002000） 光柵腐蝕傳感器光柵腐蝕傳感器 （Greene Greene 等，等，19971997） 光柵壓力傳感器光柵壓力傳感器 （張穎（張穎 等，等，20012001）應(yīng)用概況：應(yīng)用概況： 1 1）民用土木工程）民用土木工程 p 19931993，Udd Udd 1616個(gè)個(gè)FBGFBG 加拿大加拿大Beddington TrailBeddington Trail大橋大橋進(jìn)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)光纖光柵的工程應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。行測(cè)量，對(duì)光纖光柵的工程應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。p 1997199

31、7，德國(guó)，德國(guó) Meissner Meissner 光柵埋入光柵埋入德累斯頓德累斯頓的一座跨度的一座跨度7272米的米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋預(yù)應(yīng)力混凝土橋上上 變形監(jiān)測(cè)變形監(jiān)測(cè)p 19991999，Nellen Nellen 瑞典瑞典SarganSargan附近的隧道巖栓和附近的隧道巖栓和LucerneLucerne橋預(yù)應(yīng)力索橋預(yù)應(yīng)力索上上 光纖布拉格光柵傳感器。布拉格光柵可光纖布拉格光柵傳感器。布拉格光柵可以以監(jiān)測(cè)碳纖維高達(dá)監(jiān)測(cè)碳纖維高達(dá)80008000的應(yīng)變值的應(yīng)變值p 19991999，SeimSeim、Udd Udd 美國(guó)美國(guó) ColumbiaColumbia河峽河峽里里 Horsetail

32、 Horsetail FallsFalls橋橋上復(fù)合材料加固上復(fù)合材料加固2828個(gè)個(gè)FBGFBG，兩年的健康監(jiān)測(cè)。，兩年的健康監(jiān)測(cè)。p 20012001年，周智年，周智 黑龍江省黑龍江省呼蘭河大橋呼蘭河大橋的的預(yù)應(yīng)力箱形大梁預(yù)應(yīng)力箱形大梁的施工光纖光柵傳感器，施工與運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)。的施工光纖光柵傳感器，施工與運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)。2 2）航天航空工程）航天航空工程 美國(guó)美國(guó) Smart Fibres Lt. Smart Fibres Lt. 飛機(jī)和航天器提供埋有光柵傳感飛機(jī)和航天器提供埋有光柵傳感器的復(fù)合材料靈巧結(jié)構(gòu)，以便于結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)、設(shè)計(jì)信息器的復(fù)合材料靈巧結(jié)構(gòu)，以便于結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)、設(shè)計(jì)信息搜集、制造輔助

33、控制、智能控制以及結(jié)構(gòu)尺寸監(jiān)測(cè)。搜集、制造輔助控制、智能控制以及結(jié)構(gòu)尺寸監(jiān)測(cè)。 美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局，對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局，對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)。其應(yīng)用對(duì)象為可重復(fù)使用運(yùn)載火箭以及麥克唐納監(jiān)測(cè)。其應(yīng)用對(duì)象為可重復(fù)使用運(yùn)載火箭以及麥克唐納- -道道格拉斯、波音北美和洛克菲德格拉斯、波音北美和洛克菲德- -馬丁馬丁3 3個(gè)公司的復(fù)合材料燃個(gè)公司的復(fù)合材料燃料箱。料箱。 德國(guó)德國(guó)19961996年，戴姆勒年，戴姆勒- -奔馳研究中心和戴姆勒奔馳研究中心和戴姆勒- -奔馳宇航空奔馳宇航空中客車以及宇航研究院共同研究光纖光柵自適應(yīng)機(jī)翼。中客車以及宇航研究院共同研究光纖光柵自適應(yīng)機(jī)翼。 瑞典光學(xué)研究院用光纖光柵傳感器開發(fā)用于監(jiān)視戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)瑞典光學(xué)研究院用光纖光柵傳感器開發(fā)用于監(jiān)視戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的時(shí)分復(fù)用應(yīng)變和溫度測(cè)量系統(tǒng)。合材料結(jié)構(gòu)的時(shí)分復(fù)用應(yīng)變和溫度測(cè)量系統(tǒng)。加拿大的一個(gè)光子研究小組提出用光纖光柵傳感器測(cè)量飛加拿大的一個(gè)光子研究小組提出用光纖光柵傳感器測(cè)量飛機(jī)噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的壓力和溫度。機(jī)噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的壓力和溫度。3 3）船舶工程）船舶工程 19