實驗力學第6章-1

6.1光纖傳感器(FOS，F(xiàn)iberOpticalSensor)第6章現(xiàn)代測試技術

課程《實驗》1.光纖導光的基本原理

1).光纖結(jié)構(gòu)6.1.1.光纖的基本概念40-50um裸光纖5-10μm2－3mm高錕2009諾貝爾物理學獎2).菲涅爾折射定理n1n2θrθi(a)光的折射示意圖n1sinθi=n2sinθrn1n2θr=90oθi0(b)臨界狀態(tài)示意圖

n1n2θrθi(c)光全反射示意圖

θi0=arcsin(n2/n1)θi>θi0光由光密物質(zhì)入射至光疏物質(zhì)時，當n1＞n2，有θr＞θi

3).數(shù)值孔徑NA(NumericalAperture,NA)光纖導光示意圖θjθiθkθrABCDEFK00n0n2n1Gn0—空氣折射率n1—纖芯折射率n2—包層折射率arcsin(NA)是一臨界角,凡入射角θi＞arcsin(NA)的光線進入光纖都不能傳播而在包層消失；只有入射角θi<arcsin(NA)的光線才可進入光纖被全反射傳播。θjθiθkθrABCDEFK00n0n2n1G2.光纖分類根據(jù)折射率分布函數(shù):階躍光纖、漸變（梯度）光纖階躍光纖折射率分布函數(shù)梯度光纖折射率分布函數(shù)n1n2n(x)x2rn1n1n2n(x)x2rn1單模光纖（長距離）多模光纖（短距離）5-10μm50-60μm只傳一種模式的光用激光做光源可傳多種模式的光，耦合器及接線器按傳榆模數(shù)分類按材料分類高純度石英玻璃纖維——通信光纖

低純度玻璃光纖、塑料光纖——醫(yī)用、照明按用途分類通信光纖（SiO2）

非通信光纖（低純度玻璃、塑料）2.光纖分類6.1.2.光纖傳感器光纖信號處理系統(tǒng)光接收器敏感元件光發(fā)送器光纖傳感器1.光纖傳感器構(gòu)成把被測量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。根據(jù)光纖在傳感器中作用：本征型、非本征型2.光纖傳感器分類信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器光纖非本征型（傳光型）傳導信號處理光接收器光纖光發(fā)送器本征型（傳感型）傳導+

傳感3.工作原理來自光源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與輸入調(diào)制區(qū)的光相互作用，導致光某些特性(強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制信號光，再經(jīng)光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)獲得被測參數(shù)。調(diào)制器入射光纖出射光纖光源輸出強度調(diào)制相位調(diào)制頻率調(diào)制偏振態(tài)調(diào)制波長調(diào)制光的波動方程：根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式1）強度調(diào)制利用被測量變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導致光強變化實現(xiàn)敏感測量的傳感器。小位移調(diào)制、微彎損耗光強調(diào)制、吸收特性強度調(diào)制2）偏振調(diào)制-法拉第磁光效應、雙折射效應3）頻率調(diào)制-喇曼、多普勒效應、光致發(fā)光4）相位調(diào)制-磁致伸縮、電致伸縮、光彈效應5）波長調(diào)制-多點測量,解調(diào)技術復雜邁克爾遜光纖干涉儀原理圖指標強度型相位型光柵（波長)精度低較高高加工工藝簡單復雜較復雜成本低高較低技術成熟性成熟較成熟成熟可否分布測量(成網(wǎng))可以不可以嵌入性（兼容性）可以較難很好線性度一般一般很好變形能力好差好性能穩(wěn)定較好較好好耐久性好較好好監(jiān)測參數(shù)多少多響應頻率帶寬寬窄寬信號解調(diào)設備簡單復雜復雜三種光纖傳感器定性比較結(jié)論：光纖光柵是局部監(jiān)測的最佳選擇4.光纖光柵傳感器優(yōu)點：

分布式或準分布式測量，多點或多參數(shù)測量；

探頭尺寸小，直徑與光纖等同,埋入測量；

波長調(diào)制，抗干擾能力強；

耐久性好，退火，15年；

傳感傳輸一體，易于構(gòu)成網(wǎng)絡；

單根光纖單端檢測，減少傳輸線；

抗電磁干擾，光在纖芯中傳輸；6.1.3.光纖光柵傳感器1.基本概念定義：一段纖芯的折射率呈周期性變化的光纖。功能：相當于一個窄帶反射鏡，只反射某一波

長附近的光，其他光無損耗通過。分類：Bragg光柵、長周期光柵、啁啾光柵

?Bragg光柵（反射光柵，短周期光柵）長周期光柵（透射光柵），周期為幾十至幾百μm啁啾光柵，周期不是常數(shù)分類：Bragg光柵、長周期光柵、啁啾光柵

透射光譜

光束1光束2布拉格光柵結(jié)構(gòu)包層纖芯單模摻鍺（硅）光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術形成。成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋。2光纖Bragg光柵的成柵方法雙光束干涉寫入技術相位掩膜寫入技術直接寫入技術在線成柵技術光敏性：在244nm紫外光照射下，光纖折射率隨光強發(fā)生永久變化的特性。（1）FBG傳感器基本原理當一寬譜光源入射光纖Bragg光柵時，光柵將反射以布喇格波長λB

為中心波長的窄譜分量，其他的光透射。3.Bragg光柵

(FiberBraggGrating,FBG)

纖芯包層折射率

n2有效折射率neffΛ光柵周期折射率n1透射入射反射應變、溫度的變化會引起FBG的周期(Λ)和有效折射率變化（neff），從而使FBG的反射波長變化。FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實現(xiàn)對被測量檢測。兩邊微分應變、溫度的變化會引起FBG的周期(Λ)和有效折射率變化（neff），從而使FBG的反射波長變化。FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實現(xiàn)對被測量檢測。(1).FBG有效折射率變化

μ—纖芯的泊松比；P11,P12—纖芯材料的彈光系數(shù)。有效彈光系數(shù)1）FBG應變傳感特性－溫度不變軸向力作用下光纖光柵產(chǎn)生軸向應變ε(2).FBG光柵周期變化為(1).FBG光柵有效折射率變化為Bragg光柵應變靈敏度對于普通的石英光纖，1）FBG應變傳感特性－溫度不變則應變每變化1με，Bragg光柵波長漂移約為1.21pm只考慮溫度變化

—熱膨脹系數(shù)(1).由熱膨脹效應引起的光柵周期變化為2）FBG溫度傳感特性－無應力條件下

(2).由熱光效應引起的有效折射率的變化為—熱光系數(shù)3）FBG傳感器隨應力與溫度的同時變化忽略溫度與應變之間的交叉敏感4）FBG傳感器的溫度和應變同時測量技術

FBG1FBG2a.參考光纖光柵法相同受外力作用不受外力作用,相同環(huán)境溫度傳感光柵參考光柵FBG1FBG2b.光柵疊加法光纖的相同位置刻不同中心波長的光柵相同受相同外力+環(huán)境溫度作用4）FBG傳感器的溫度和應變同時測量技術

相同2套解調(diào)設備應變或溫度寬帶光源－ΣF-P腔

壓電調(diào)節(jié)片掃描電壓G1G2G3Gn5）光纖FBG光柵解調(diào)原理——波長解調(diào)

耦合器可調(diào)諧光纖法布里-珀羅（F-P)腔濾波器法單根光纖實現(xiàn)多點測量探測器高反射鏡高反射鏡最大光強G1G2G3Gn應變或溫度寬帶光源－ΣF-P腔

壓電調(diào)節(jié)片掃描電壓G1G2G3Gn耦合器單根光纖實現(xiàn)多點測量探測器高反射鏡高反射鏡最大光強6）光纖FBG光柵傳感網(wǎng)絡

寬帶光源窄帶濾波(F-P)波長掃描法波分復用技術λ1λ2λ3λn解調(diào)儀每通道可接光柵傳感器個數(shù)(1個通道）一般解調(diào)儀波長范圍△λ為50nm～70nm.光纖傳感網(wǎng)絡的實現(xiàn)

針對時分復用技術，開發(fā)針對橋梁光纖光柵傳感網(wǎng)絡的光開關控制程序。通過計算機R232串口控制光開關光路切換。該程序可以實現(xiàn)計算機對四臺1×36光開關通道切換控制?？梢詮拿颗_光開關36支光路中，選擇待測光路，設置待測光路切換時間間隔與循環(huán)采集時間間隔。光開關最小切換時間間隔為10ms。光纖傳感網(wǎng)絡的實現(xiàn)337）光纖埋入FRP（FiberReinforcedPolymer/Plastic）筋的方法強度高耐腐蝕易布設工業(yè)化。。。FRP的力學性能和腐蝕特性光柵智能特性

FRP-OFBG結(jié)構(gòu)材料功能材料（1）FRP-OFBG筋347）光纖埋入FRP筋的方法357）光纖埋入FRP筋的方法36

FRP-OFBG微觀結(jié)構(gòu)縱剖面

橫截面

7）光纖埋入FRP筋的方法37FRP-OFBG筋力學特性試驗CFRP-OFBG7）光纖埋入FRP筋的方法38溫度標定試驗7）光纖埋入FRP筋的方法（5）光纖光柵傳感器的應用埋入式應變傳感器焊接式應變傳感器吸附式應變傳感器-磁鐵鋼結(jié)構(gòu)FRP-OFBG光纖光柵寫入設備光纖光柵解調(diào)儀光纖光柵生產(chǎn)設備光纖光柵跳線頭制作傳感器耐久標定傳感器溫度標定傳感器應變標定發(fā)光器（1）制作工藝（2）光纖光柵智能監(jiān)測系統(tǒng)

光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

解調(diào)儀光發(fā)生器光開關光纖光柵智能監(jiān)測軟件DalianUniversityofTechnology448）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打磨傳感器布設玻璃布保護防腐保護光纖光柵應變傳感器布設與保護工藝

469）傳感器埋入到混凝土內(nèi)部的方法479）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用概況：

1）民用土木工程2）航天航空工程

3）船舶工程

4）電力工程

5）石油化工業(yè)

6）核工業(yè)

Sensor山東濱州黃河公路大橋（2004）三塔雙索混凝土梁斜拉橋主橋全長768m，橋跨布置方案:84m(邊跨)+300m(主跨)+84m，100對斜拉索。138支光纖光柵應變與溫度傳感器主梁截面應變測點布置圖測點縱向受力鋼筋處輸油管線高鐵軌道監(jiān)測光纖布拉格光柵傳感器的發(fā)展

光纖光柵傳感器已經(jīng)從試驗室走向工程應用

1978

Hill

制作出第一根光柵

1989

Meltz發(fā)明紫外寫入技術

1989

Morey研究了光纖光柵的應變與溫度傳感特性

1992

Prohaska用光纖光柵研究大跨混凝土結(jié)構(gòu)應變

1997

Nellen布設FBGs在Lucerne與WinterhurStock大橋

1998Fuhr

埋入FBGs在Waterbury大橋面板上

1999

Udd

埋入FBGsHorsetailFalls大橋上

2001

歐進萍布設FBGs在黑龍江省呼蘭河等大橋上

研究成果：光纖光柵溫度敏感消除技術不同熱膨脹系數(shù)材料法（Yoffe等，1995)負熱膨脹系數(shù)的材料（Iwashima等，1997)

2)應變與溫度雙參量同時監(jiān)測技術光柵重疊法（Xu等，1994）光柵焊接法(James等，1996)

偏振保持法

(Lawvence等，1996)

3)光纖光柵準分布式傳感技術Rao(1996)11個光柵說明了布拉格傳感網(wǎng)絡的可行性與優(yōu)越性。Davis(1996)等人用光柵陣列對復合材料包覆的混凝土圓柱體的拉壓變形進行了測量，測得了3800的最大變形量。Dakin(1999)等人用光柵陣列對異質(zhì)疊合板的疲勞應變場進行了測量。4)間接測量其他物理量光柵加速度傳感器（Willsch等，2000）光柵剪應力傳感器（Koulaxouzidis等，2000）光柵腐蝕傳感器（Greene等，1997）光柵壓力傳感器（張穎等，2001）應用概況：

1）民用土木工程

1993，Udd16個FBG

加拿大BeddingtonTrail大橋進行測量，對光纖光柵的工程應用進行了有益的探索。1997，德國Meissner光柵埋入德累斯頓的一座跨度72米的預應力混凝土橋上變形監(jiān)測1999，Nellen瑞典Sargan附近的隧道巖栓和Lucerne橋預應力索上光纖布拉格光柵傳感器。布拉格光柵可以監(jiān)測碳纖維高達8000的應變值1999，Seim、Udd美國Columbia河峽里HorsetailFalls橋上復合材料加固28個FBG，兩年的健康監(jiān)測。2001年，周智黑龍江省呼蘭河大橋的預應力箱形大梁的施工光纖光柵傳感器，施工與運營監(jiān)測。2）航天航空工程

美國SmartFibresLt.飛機和航天器提供埋有光柵傳感器的復合材料靈巧結(jié)構(gòu)，以便于結(jié)構(gòu)損傷探測、設計信息搜集、制造輔助控制、智能控制以及結(jié)構(gòu)尺寸監(jiān)測。美國國家航空和宇宙航行局，對航天飛機進行實時的健康監(jiān)測。其應用對象為可重復使用運載火箭以及麥克唐納-道格拉斯、波音北美和洛克菲德-馬丁3個公司的復合材料燃料箱。德國1996年，戴姆勒-奔馳研究中心和戴姆勒-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機翼。瑞典光學研究院用光纖光柵傳感器開發(fā)用于監(jiān)視戰(zhàn)斗機復合材料結(jié)構(gòu)的時分復用應變和溫度測量系統(tǒng)。加拿大的一個光子研究小組提出用光纖光柵傳感器測