光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題課件

光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

0引言近年來(lái)。隨著光纖通信技術(shù)向著超高速、大容量通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，以及逐步向全光網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn).在光通信迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，光纖光柵已成為發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)光源器件之一。光纖在紫外光強(qiáng)激光照射下，利用光纖纖芯的光敏感特性.光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化。這樣，在光纖軸向上就會(huì)形成周期性的折射率波動(dòng)，即為光纖光柵。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其它光纖器件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為此。本文從光纖布拉格光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵等光纖光柵的原理出發(fā)，綜述了光纖布拉格光柵對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

1光纖傳感器的工作原理1.1

光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

光纖布拉格光柵FBG于1978年發(fā)明問(wèn)世。它利用硅光纖的紫外光敏性寫(xiě)入光纖芯內(nèi)，從而在光纖上形成周期性的光柵，故稱為光纖光柵。圖l所示是其光纖光柵傳感器的典型結(jié)構(gòu)。

光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

1.2光纖布拉格光柵原理光纖布拉格光柵通常滿足布拉格條件

式中，λB為Bragg波長(zhǎng)，n為有效折射率，A為光柵周期。當(dāng)作用于光纖光柵的被測(cè)物理量(如溫度、應(yīng)力等)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起n和A的相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致λB的漂移;反過(guò)來(lái)，通過(guò)檢測(cè)λB的漂移。也可得知被測(cè)物理量的信息。Bragg光纖光柵傳感器的研究主要集中在溫度和應(yīng)力的準(zhǔn)分布式測(cè)量上。溫度和應(yīng)力的變化所引起的λB漂移可表示為：光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

式中，ε為應(yīng)力，P[i，j]為光壓系數(shù)，v為橫向變型系數(shù)(泊松比)，α為熱脹系數(shù)，△T為溫度變化量。一般情況下，(2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]/2因子的典型值為0.22，可以推導(dǎo)出常溫和常應(yīng)力條件下的FBG溫度和應(yīng)力相應(yīng)條件值為：光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。如通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

1.3長(zhǎng)周期光纖光柵長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大于100μm，是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一分支。長(zhǎng)周期光柵的透射峰波長(zhǎng)主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關(guān)，其相位匹配條件可表示為：光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

2溫度和應(yīng)變交叉敏感分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長(zhǎng)矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法、溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法和光強(qiáng)測(cè)溫法等幾種技術(shù)。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

式中，kTi為布拉格波長(zhǎng)的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它與光纖泊松比、彈光系數(shù)和纖芯有效折射率有關(guān);kTi為布拉格波長(zhǎng)的溫度靈敏系數(shù)，它與熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)。目前，雙波長(zhǎng)矩陣法在溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量方面主要有參考光柵法、雙波長(zhǎng)重疊FBG法和雙直徑FBG法等。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

2.3溫度參考光柵法該方法是選用2個(gè)相同參數(shù)的FBG對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，是用兩個(gè)相互相鄰且中心波長(zhǎng)相同的FBG組成一個(gè)傳感探頭，其中FBGl的長(zhǎng)度L1大于FBG2的長(zhǎng)度L2，為了區(qū)分兩光柵的反射信號(hào)，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

圖2中的FBGl裝在一個(gè)玻璃管內(nèi)，兩端與玻璃管固定，以使其僅受外界溫度的影響;而FBG2不裝在玻璃管內(nèi)，因而會(huì)同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響。由于光纖和玻璃管具有相同的熱膨脹性。因此，F(xiàn)BGl和FBG2的溫度敏感系數(shù)相同。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

2.4溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法其實(shí)，目前研究較多的還是溫度補(bǔ)償法。該方法主要通過(guò)某種方法或裝置先將溫度擾動(dòng)引起的波長(zhǎng)漂移剔除掉，從而使應(yīng)變測(cè)量不受溫度的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了關(guān)于FBG交叉敏感的問(wèn)題，主要考慮實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的溫度補(bǔ)償方法。它們分為單FBG法和雙FBG法兩大類。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

2.5光強(qiáng)測(cè)溫法光強(qiáng)測(cè)溫法是通過(guò)光強(qiáng)與待測(cè)點(diǎn)溫度的關(guān)系來(lái)確定溫度值，故可消除溫度對(duì)波長(zhǎng)移動(dòng)的影響。該方法需要特殊結(jié)構(gòu)的FBG，而且需要利用特殊材料，同時(shí)對(duì)解調(diào)方案也有相應(yīng)的要求。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題

3結(jié)束語(yǔ)近年來(lái)，隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，光纖光柵的傳感技術(shù)得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用。由于其擁有獨(dú)特的自身優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必會(huì)受到越來(lái)越多行業(yè)的重視，