光纖光柵傳感原理

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布拉格中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。它具有以下明顯優(yōu)點：(1) 抗干擾能力強(qiáng)。一方面是因為普通的傳輸光纖不會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)簡單、尺寸小，適合于許多工程應(yīng)用場合，尤其是智能材料與結(jié)構(gòu)。(3) 測量結(jié)果具有良好的重

2、復(fù)性。(4) 能進(jìn)行波長編碼，便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。(5) 制作時對光纖無機(jī)械損傷，是一種本征傳感器，可靠性好。(6) 波長移動響應(yīng)快，線性輸出動態(tài)范圍寬。(7) 具有波長自參考特點，能實現(xiàn)絕對測量。(8) 具有對環(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率稍大。圖中A為光柵的周期，當(dāng)光波通過FBG傳感器時，滿足特定波長的光被光纖光柵反射回去，其

3、他波長的光透過【?！客干涔?(1)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光柵的諧振方程為九=2nABeff式中XB為光纖Bragg中心波長；勿為纖芯有效折射率；A為光柵周期。由此可知FBG傳感器中心波長由其纖芯有效值折射律和光柵周期共同決定。對（1）式微分得：AX=2AnA+2nAArc、Beffeff（2）由（2）式可知，neff或A改變時，光纖Bragg中心波長會發(fā)生漂移。由于無論是對光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，均會導(dǎo)致光柵周期A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neff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）波長漂移可用下式表

4、述:3)A九=九(1-P)As=KAeBgBeg式中Pe為FBG的彈光系數(shù)；K為測量應(yīng)變的靈敏度。溫度變化引起FBG波長漂移可用下式表述：A化=Kat=（a+g）AT式中，a為FBG的熱膨脹系數(shù)，g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應(yīng)變測量的影響。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漂移的最直接外界因素。由于該傳感器在結(jié)構(gòu)檢測中只需要檢測光纖光柵波長分布圖中波峰的準(zhǔn)確位置，而與光強(qiáng)無關(guān)，故對光強(qiáng)的波動不敏感，比一般的光纖傳感器具有更高的抗干擾能力，且具有優(yōu)異的變形匹配特性。當(dāng)外界被測量引起光纖光柵溫度、應(yīng)力或磁場改變時，都會導(dǎo)致反射中心

5、波長的變化。因此，通過測量光纖光柵中心波長的變化就可以反映出外界被測信號的變化。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)可以是用多個傳感器共用同一光源和解調(diào)系統(tǒng)，從而降低成本，簡化設(shè)備。通常情況下可以通過對光載波的頻譜、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，而目前解調(diào)部分是影響光纖光柵傳感實用化的關(guān)鍵。傳感過程是通過外界參量對光纖光柵中心波長的調(diào)制來實現(xiàn)，而解調(diào)過程恰好相反，是將反射波

6、長的變化量轉(zhuǎn)化為我們未知的外界參量信息的過程。圖中多個FBG傳感器反射光波長為九1,九2,，九n,不同中心波長的FBG傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)陣列，分別感應(yīng)待測結(jié)構(gòu)沿線分布各點的應(yīng)力應(yīng)變，并使它們的反射光波長發(fā)生改變；不同的改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測量現(xiàn)場傳出,通過光纖光柵解調(diào)器探測其波長改變量的大小,并將它們轉(zhuǎn)換成電信號；由二次儀表計算出待測結(jié)構(gòu)的各個測點的應(yīng)力應(yīng)變大小,從而獲得整個待測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布狀況。2.1.3實驗系統(tǒng)構(gòu)建結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的損傷、缺陷會引起外界應(yīng)力場的變化,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傳感器中心波長變化的

7、對應(yīng)關(guān)系,實現(xiàn)損傷的檢測的目的。FBG傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(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)陣列位置分布對實際測量具有關(guān)鍵作用,其位置和性能直接影響檢測信號的準(zhǔn)確度和強(qiáng)度。r11-Ii1111C1c!;ii-in/1a=二,：0«1L/!1iiFBG傳感器光纖被測膠層1光纖光測量柵解調(diào)數(shù)據(jù)丿了磁呼士口施-£l/J/Jfur巾巳系統(tǒng)控制信號上位機(jī)圖2.3FBG傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖圖2.3中不同反射光波長的FBG傳感器由光纖作為光波傳輸通道相連接，并埋入復(fù)合材料膠接層內(nèi)部，光接口與光纖光柵解調(diào)儀相連接，計算機(jī)用于對光纖光柵解調(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