光纖傳感原理5課件

1、第五講 光纖光柵傳感光纖傳感原理 引言 基本原理與應(yīng)用 本講小結(jié)1北京交大光信息所引言1 光纖光柵是現(xiàn)代光纖傳感中應(yīng)用最廣泛的器件與技術(shù) 光纖光柵是利用光致折射率改變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。 2北京交大光信息所 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器 應(yīng)用：應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、位移、溫度、濃度等 優(yōu)點(diǎn): 小巧、柔軟、抗干擾能力強(qiáng)；集傳感與傳輸于一體、易于制作和應(yīng)用；波長(zhǎng)分離能力強(qiáng)、傳感精度和靈敏度極高、能絕對(duì)數(shù)字測(cè)量和精確定位。 缺點(diǎn): 檢測(cè)比較復(fù)雜，對(duì)光源要求高3北京交大光信息所基本原理與應(yīng)用2 FBG及其傳感原理光纖Bragg光柵（Fiber Bragg Gratin

2、g，F(xiàn)BG）是一種反射型濾波器件，其機(jī)理是后向傳播的LP01模與前向傳播的LP01模之間發(fā)生耦合，光柵周期一般小于1m。芯層包層包層折射率 n2芯層折射率 n1感光折射率 n12 n4北京交大光信息所芯層包層+1級(jí)-1級(jí)紫外掩模寫(xiě)入法制作FBG5北京交大光信息所折射率分布a1 ：纖芯半徑； a2：包層半徑， n1：纖芯初始折射率；n2：包層折射率； n(r,z）為光致折射率變化； n3一般指空氣折射率。F：描述折射率分布在橫截面上的精細(xì)結(jié)構(gòu)。折射率調(diào)制周期UV：紫外光源波長(zhǎng)：兩相干光束之間的夾角6北京交大光信息所由于周期的折射率擾動(dòng)僅會(huì)對(duì)很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播

3、時(shí)，入射光能在相應(yīng)的波長(zhǎng)上被反射回來(lái)，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。因這類調(diào)諧波長(zhǎng)反射的現(xiàn)象最早由WBragg爵士提出，這種光纖光柵被稱為光纖布喇格光柵（FBG）。IFBG反射譜BI輸入譜IFBG透射譜B7北京交大光信息所FBG的反射譜的中心波長(zhǎng)：neff ：光纖芯區(qū)有效折射率 ：光纖光柵的周期即柵距 因光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界條件如溫度、壓力的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之變化，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)變化：傳感原理8北京交大光信息所 光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化與溫度、應(yīng)變的關(guān)系：熱膨脹系數(shù)：彈光系數(shù)：熱光系數(shù) 光纖光柵在實(shí)際應(yīng)用中通常是封裝在

4、壓力或溫度增敏材料中，以提高檢測(cè)的精度。9北京交大光信息所 光纖光柵傳感解調(diào)原理A. 匹配光纖光柵解調(diào)法 選用一個(gè)與傳感光纖光柵 FBG1 參數(shù)相近的光纖光柵 FBG2 （匹配光柵）作為檢測(cè)光柵，使兩個(gè)光柵的反射譜部分重疊，即設(shè)置合適的偏置傳感光纖光柵的輸出信號(hào)為檢測(cè)光纖光柵的輸入信號(hào)。輸出信號(hào)、輸入信號(hào)都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。10北京交大光信息所當(dāng)光纖光柵受到外界微擾時(shí)，其輸出反射譜在一定范圍內(nèi)漂移；而解調(diào)光柵的反射譜是相對(duì)固定的，當(dāng)傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時(shí)，只有在兩光柵反射譜重疊部分范圍內(nèi)的光波才能被反射，重疊面積與反射譜光強(qiáng)度成正比當(dāng)兩光柵反射譜重疊面積較大時(shí)，探

5、測(cè)器探測(cè)到的光信號(hào)較強(qiáng)，反之則較弱，檢測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)是傳感光纖光柵FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個(gè)光譜函數(shù)的卷積。因此對(duì)FBG1上的微擾，在 FBG2的反射譜中可檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)變化的信號(hào)。 11北京交大光信息所B. F-P腔波長(zhǎng)濾波解調(diào)法 解調(diào)裝置采用調(diào)諧腔長(zhǎng)的方法，在透射光強(qiáng)達(dá)到最大值時(shí)求出入射波長(zhǎng)。12北京交大光信息所 FBG傳感基本術(shù)語(yǔ) 傳感器波長(zhǎng)：FBG反射譜的中心波長(zhǎng) 傳感器帶寬：FBG反射譜的帶寬（3dB）0.2-0.3nm 反射率：反射光功率的比例，決定信號(hào)強(qiáng)度 90%。 邊模抑制: 對(duì)光譜旁瓣的抑制能力，15dB13北京交大光信息所 FBG傳感應(yīng)用概述 FBG具有多傳感器

6、復(fù)用能力，在準(zhǔn)分布測(cè)量、多參數(shù)組合測(cè)量等方面顯現(xiàn)出誘人的前景，在復(fù)合材料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布及大型設(shè)備內(nèi)部應(yīng)力、溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。 14北京交大光信息所 通過(guò)在一根光纖上根據(jù)應(yīng)用要求刻寫(xiě)多個(gè)不同布喇格波長(zhǎng)的光柵，可實(shí)現(xiàn)分布式傳感，而且可以實(shí)現(xiàn)單端檢測(cè)；同時(shí)還能進(jìn)一步集合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實(shí)時(shí)、在線、分布式檢測(cè)。 目前，光纖光柵傳感器在橋梁安全監(jiān)測(cè)方面占絕對(duì)地位。加拿大Beddington Trail 大橋最早使用（1993年），16個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)

7、合材料筋上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。15北京交大光信息所1999年夏，美國(guó)新墨西哥Las Cruces10號(hào)高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了120個(gè)光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的記錄。這套光纖光柵傳感系統(tǒng)不僅可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車輛進(jìn)行探測(cè)和計(jì)數(shù)，而且可以測(cè)量車輛的速度和重量，有了此系統(tǒng)，就能監(jiān)視動(dòng)態(tài)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、退化和損壞，了解橋梁對(duì)交通響應(yīng)的長(zhǎng)期變化。 16北京交大光信息所1. 深圳市民中心大廈光纖光柵智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；2.襄樊漢江四橋錨索光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；3.寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應(yīng)力分布測(cè)量系統(tǒng)；4.巴東長(zhǎng)江大橋雙塔光纖光柵和應(yīng)力施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng) 期智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；5.?？谑兰o(jì)大

8、橋光纖光柵長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；6.貴陽(yáng)冷飯盒大橋光纖光柵預(yù)應(yīng)力施工監(jiān)控系統(tǒng)及長(zhǎng)期智能健康系統(tǒng)。17北京交大光信息所光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計(jì)算機(jī) 使用現(xiàn)場(chǎng)控制室內(nèi)傳輸光纜連接光纜FBG探頭光纖光柵監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖18北京交大光信息所煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)19北京交大光信息所FBGP系列壓力傳感器 FBGPXXX11型光纖光柵壓力計(jì)通過(guò)端頭導(dǎo)壓孔將壓力傳遞到敏感元件，通過(guò)檢測(cè)敏感元件光纖光柵反射的光信號(hào)波長(zhǎng)的移動(dòng)量得出實(shí)際壓力值。具有全光測(cè)量和信號(hào)傳輸、現(xiàn)場(chǎng)不供電、不受雷擊、不受電磁干擾、超長(zhǎng)使用壽命等特點(diǎn)。 FBGPXXX11型光纖光柵壓力計(jì)可用于管道和壓力容器內(nèi)油、水、氣等不同介質(zhì)的壓力測(cè)量。 應(yīng)用領(lǐng)域： 儀器特點(diǎn)： 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制 高精度 壓力容器測(cè)量 長(zhǎng)期可靠 油、水、