光纖光柵原理及應(yīng)用

1、光纖光柵傳感器原理及應(yīng)用(武漢理工大學(xué))1光纖光柵傳感原理光纖光柵就是利用紫外光曝光技術(shù)，在光纖中產(chǎn)生折射率的周期分布，這種 光纖內(nèi)部折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)就是光纖光柵。光纖布喇格光柵(Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)在目前的應(yīng)用和研究中最為廣泛。光纖布喇格光柵，周期0.1微 米數(shù)量級(jí)。FBG是通過改變光纖芯區(qū)折射率，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輸時(shí)，入射光將在相應(yīng)的波 長上被反射回來，其余的透射光則不受影響，這樣光纖光柵就起到了波長選擇的 作用，如圖1。反射光譜A光柵周期圖1 FBG結(jié)構(gòu)及其波長選擇原理圖在外力作用下，光彈效應(yīng)

2、導(dǎo)致折射率變化，形變則使光柵常數(shù)發(fā)生變化；溫 度變化時(shí)，熱光效應(yīng)導(dǎo)致折射率變化，而熱膨脹系數(shù)則使光柵常數(shù)發(fā)生變化。光纖光柵應(yīng)變傳感原理光纖光柵反射光中心波長的變化反映了外界被測信號(hào)的變化情況，在外力作 用下，光彈效應(yīng)導(dǎo)致光纖光柵折射率變化，形變則使光柵柵格發(fā)生變化，同時(shí)彈 光效應(yīng)還使得介質(zhì)折射率發(fā)生改變，光纖光柵波長為1300nm，則每個(gè)U8將導(dǎo) 致1.01pm的波長改變量。光纖光柵溫度傳感原理光溫度變化時(shí)，熱光效應(yīng)導(dǎo)致光纖光柵折射率變化，而熱膨脹系數(shù)則使光柵 柵格發(fā)生變化。光纖光柵中心波長為1300nm，當(dāng)溫度變化1攝氏度時(shí)，波長改 變量為9.1pm。2光纖光柵傳感器特點(diǎn)利用光敏元件或材料，

3、將被測參量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)光信號(hào)的新一代傳感技術(shù)，最 大特點(diǎn)就是一根光纖上能夠刻多個(gè)光纖光柵，如圖2所示。光纖光柵傳感器可測物理量：溫度、應(yīng)力/應(yīng)變、壓力、流量、位移等。光源測點(diǎn)1測點(diǎn)2測點(diǎn)3測點(diǎn)n被測參量光纖/V圖2光纖光柵傳感器分布式測量原理點(diǎn)3測點(diǎn)光纖光柵的特點(diǎn)：本質(zhì)安全，抗電磁干擾 一纖多點(diǎn)（20-30個(gè)點(diǎn)），動(dòng)態(tài)多場：分布式、組網(wǎng)測量、遠(yuǎn)程監(jiān)測尺寸小、重量輕；壽命長：壽命20年以上3目前我校已經(jīng)開展的工作（部分）3.1基于光纖光柵傳感的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)械動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)利用光纖光柵傳感技術(shù)的特性，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)的非接觸直接測量。旋轉(zhuǎn)部分非接觸光傳輸解調(diào)器光纖分析診斷系統(tǒng)固定部分圖3光

4、纖光柵非接觸測量原理10垢聘X*建模監(jiān)*1葉AiMff5 0-5X1.2K. 134W.5K 319 9, W 11麹X2.G31圖4光纖光柵傳感器飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)應(yīng)變測量3.2旋轉(zhuǎn)軸系振動(dòng)（位移）的光纖光柵測量技術(shù)與方法利用旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)對(duì)磁場的影響作用，將磁場的變化轉(zhuǎn)化為光纖光柵反射波長 的變化，通過理論建模和分析，創(chuàng)建了一種基于磁力變化的光纖光柵無接觸旋轉(zhuǎn) 軸振動(dòng)測量新原理與新方法。圖5所示是這種振動(dòng)測量的原理圖和裝置圖。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，演繹了這種測量方法的原理以及呈現(xiàn)的無接觸振 動(dòng)（位移）測量、易實(shí)現(xiàn)多維振動(dòng)測量的特點(diǎn)。分析了影響測量性能的因素及其 影響關(guān)系，圖6所示就是傳感探頭到旋轉(zhuǎn)

5、軸的距離與光纖光柵應(yīng)變的關(guān)系。(a)旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)測量原理(b)旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)測量裝置圖5光纖光柵無接觸旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)測量414261012168 距離(mm)00圖6傳感探頭到旋轉(zhuǎn)軸的距離與光纖光柵信號(hào)的關(guān)系以圖6中方框內(nèi)的部分作為線性區(qū)間，可以得到位移對(duì)波長變化量的靈敏度 為1.13um/pm ,目前的光纖光柵傳感器的波長分辨率可達(dá)1 pm,也就是說這種 振動(dòng)位移傳感器測量精度可以達(dá)到1um,能夠滿足機(jī)械裝置振動(dòng)檢測的要求。3.3.基于光纖光柵傳感的機(jī)床溫度與切削力測量3.2.1機(jī)床溫度測量利用Bragg光柵的特性，組成分布式光纖光柵網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)床溫升變化， 并將溫度場信息進(jìn)行建模，為數(shù)控系統(tǒng)提供

6、參考，將有效提高機(jī)床的加工精度。圖7機(jī)床溫度測量3.2.2切削力測量實(shí)驗(yàn)研究圖8基于光纖光柵傳感的機(jī)床切削力測量裝置與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)34基于光纖光柵傳感的損傷識(shí)別研究1905 0 5 0-2 2 11函響頻變應(yīng)圖9基于光纖光柵傳感的損傷識(shí)別辨識(shí)裝置與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)35.基于光纖傳感技術(shù)的重大裝備安全監(jiān)測3.5.1港口岸橋式起重機(jī)安全監(jiān)測情況在國內(nèi)最大港口上海港應(yīng)用，可使岸橋式起重機(jī)月檢修次數(shù)由4次減 少為1次，并降低了設(shè)備點(diǎn)檢難度，提高了設(shè)備的使用效率和生產(chǎn)效率，相當(dāng) 于增加了 3萬TEU/年臺(tái)的貨物吞吐量圖10港口岸橋式起重機(jī)監(jiān)測3.5.2港口翻車機(jī)安全監(jiān)測情況世界最大能源港的咽喉設(shè)備，長期無法實(shí)現(xiàn)在線

7、、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測，成為港 口發(fā)展的瓶頸.在秦皇島港應(yīng)用，將關(guān)鍵裝備翻車機(jī)整機(jī)停車檢修時(shí)間可縮短為 原來的20%一、二、三、四期翻車機(jī)都安裝應(yīng)用圖11港口翻車機(jī)安全監(jiān)測3.5.3大型浮吊安全監(jiān)測國內(nèi)最大浮吊（奮進(jìn)號(hào)）：懸臂長240多米，起吊重量2000多噸圖12中遠(yuǎn)船務(wù)200T門座起重機(jī)安全監(jiān)測圖13中遠(yuǎn)船務(wù)200T、600T龍門起重機(jī)監(jiān)測36.光纖傳感技術(shù)的典型工程應(yīng)用案例世界跨度最大、承受荷載最重武漢天心洲公鐵兩用斜拉橋長期安全監(jiān)測世界規(guī)模最大公路隧道火災(zāi)安全監(jiān)測世界最高面板壩滲漏與結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測國家四大戰(zhàn)略儲(chǔ)備油庫火災(zāi)報(bào)誓中石化90%大型油罐火災(zāi)報(bào)警我國第一條海底隧道火災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測三峽工程重點(diǎn)文物保護(hù)工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測4.我校研究五是武漢理工件學(xué)工作基礎(chǔ)條件2003年建成“光纖傳感器