光纖光柵傳感器

1、一、光纖光柵簡介一、光纖光柵簡介 1978年，加拿大通信研究中心的KOHill及其合作者首次從接錯光纖中觀察到了光子誘導(dǎo)光柵。Hill的早期光纖是采用488nm可見光波長的氛離子激光器，通過增加或延長注入光纖芯中的光輻照時間而在纖芯中形成了光柵通過增加或延長注入光纖芯中的光輻照時間而在纖芯中形成了光柵。后來Meltz等人利用高強(qiáng)度紫外光源所形成的干涉條紋對光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光在該光纖芯中產(chǎn)生折射率調(diào)制或相位光柵。1989年，第一支布拉格諾振波長位于通信波段的光纖光柵研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技術(shù)，它主要是利用紫外光透過相位掩模板后的士相位掩模板后的士1級衍射光形成的干涉光對

2、光纖曝級衍射光形成的干涉光對光纖曝光，使纖芯折射率產(chǎn)生周期性變化寫入光柵，此技術(shù)使光纖光柵的制作更加光，使纖芯折射率產(chǎn)生周期性變化寫入光柵，此技術(shù)使光纖光柵的制作更加簡單、靈活，便于批量生產(chǎn)簡單、靈活，便于批量生產(chǎn)。1993年Alkins等人采用了低溫高壓氫擴(kuò)散工藝提低溫高壓氫擴(kuò)散工藝提高光纖的光敏特性。這一技術(shù)使大批量、高質(zhì)量光纖光柵的制作成為現(xiàn)實(shí)。高光纖的光敏特性。這一技術(shù)使大批量、高質(zhì)量光纖光柵的制作成為現(xiàn)實(shí)。這種光纖增敏工藝打破了光纖光柵制作對光纖中鍺含量的依賴，使得可選擇的光纖種類擴(kuò)展到了普通光纖，它還大大提高了光致折變量(由10-5最大提高到了10-20），這樣可以在普通光纖上制作

3、出高質(zhì)量的光纖光柵。 光纖光柵 當(dāng)光波通過折射率周期性變化的光學(xué)介質(zhì)時，光波的相位會當(dāng)光波通過折射率周期性變化的光學(xué)介質(zhì)時，光波的相位會產(chǎn)生周期性的變化，因此這種產(chǎn)生周期性的變化，因此這種折射率周期性變化的光學(xué)介質(zhì)就是光折射率周期性變化的光學(xué)介質(zhì)就是光柵，稱為折射率型光柵。柵，稱為折射率型光柵。光纖光柵就是典型的折射率型光柵。光纖光柵就是典型的折射率型光柵?，F(xiàn)在，現(xiàn)在，所有的在光纖中制作的光柵都可以稱為光纖光柵。所有的在光纖中制作的光柵都可以稱為光纖光柵。二、光纖光柵定義二、光纖光柵定義三、光纖光柵制作基本原理三、光纖光柵制作基本原理 光纖光柵是光纖光柵是利用光纖材料的光敏性利用光纖材料的光敏

4、性制作的。所謂制作的。所謂光敏性，就光敏性，就是指當(dāng)材料被外部光照射時，引起該材料物理或化學(xué)特性的暫時是指當(dāng)材料被外部光照射時，引起該材料物理或化學(xué)特性的暫時或永久性變化的一種特性或永久性變化的一種特性。在外部光源照射時，光纖的折射率隨。在外部光源照射時，光纖的折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系并可以被保留下來，成為光纖光柵。并可以被保留下來，成為光纖光柵。四、光纖光柵分類四、光纖光柵分類1.1.按周期可分為：按周期可分為： 布拉格光柵（反射光柵或短周期光柵）布拉格光柵（反射光柵或短周期光柵）長周期光柵（透明

5、光柵）長周期光柵（透明光柵）2.2.按折射率調(diào)制強(qiáng)度來劃分：按折射率調(diào)制強(qiáng)度來劃分： 弱折射率調(diào)制光纖光柵弱折射率調(diào)制光纖光柵 強(qiáng)折射率調(diào)制光纖光柵強(qiáng)折射率調(diào)制光纖光柵3.3.按光柵平面是否有傾角劃分：按光柵平面是否有傾角劃分： BlazedBlazed光柵光柵 非非BlazedBlazed光柵光柵光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器光纖光柵光纖光柵廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、壓力、磁場等多種測量場合。廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、壓力、磁場等多種測量場合。在過去在過去20多年里，光纖光柵傳感器的制作、封裝、檢測和多路復(fù)多年里，光纖光柵傳感器的制作、封裝、檢測和多路復(fù)用技術(shù)都取得了很大的進(jìn)步，使得它們的應(yīng)用日趨成熟

6、。用技術(shù)都取得了很大的進(jìn)步，使得它們的應(yīng)用日趨成熟。這里我們主要介紹這里我們主要介紹布拉格光纖光柵的布拉格光纖光柵的傳感原理、調(diào)解方法、分類傳感原理、調(diào)解方法、分類及簡單的應(yīng)用。及簡單的應(yīng)用。FBG ：Fiber Bragg Grating的縮寫，即布拉格光纖光柵。的縮寫，即布拉格光纖光柵。 當(dāng)光以當(dāng)光以1入射時，將入射時，將2以衍射，且滿足布拉格衍射方程以衍射，且滿足布拉格衍射方程 nsin1 - nsin2 = m/式中，式中，是光柵周期，是光柵周期，n 為介質(zhì)折射率，為介質(zhì)折射率，m 為布拉格衍射級數(shù)。光纖中，光為布拉格衍射級數(shù)。光纖中，光傳播有效折射率簡化為傳播有效折射率簡化為neff

7、 = nsin。當(dāng)。當(dāng)m為為1 時有：時有： neff1 - neff2 = / 從而得到從而得到 =（ neff1 - neff2 ）當(dāng)當(dāng)2 = -1 時，時， = 2neff1=2 當(dāng)滿足上式的光柵就稱為當(dāng)滿足上式的光柵就稱為布拉格光柵。布拉格光柵。n 光纖光柵傳感原理光纖光柵傳感原理 溫度溫度、應(yīng)變應(yīng)變和和應(yīng)力應(yīng)力的變化會引起光纖光柵的柵距和折射率的變化，的變化會引起光纖光柵的柵距和折射率的變化，從而使光纖光柵的反射和透射譜發(fā)生變化從而使光纖光柵的反射和透射譜發(fā)生變化。通過檢測光纖光柵反射譜檢測光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度、應(yīng)變和壓力信息或透射譜的變化，就可以獲得相

8、應(yīng)的溫度、應(yīng)變和壓力信息，這就是用光纖光柵測量溫度、應(yīng)變和壓力的基本原理基本原理。光纖光柵傳感原理圖光纖光柵傳感原理圖溫度靈敏度溫度靈敏度 溫度影響溫度影響B(tài)raggBragg波長是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的波長是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。假設(shè)均。假設(shè)均勻壓力場和軸向應(yīng)力場保持恒定，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變勻壓力場和軸向應(yīng)力場保持恒定，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為化為 式中式中為光纖的熱膨脹系數(shù)。為光纖的熱膨脹系數(shù)。 應(yīng)變（力）靈敏度應(yīng)變（力）靈敏度 應(yīng)變（力）影響應(yīng)變（力）影響B(tài)ragg波長是由于光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的。波長是由于光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的。 FBG

9、的波長漂移的波長漂移BS和它所受的縱向應(yīng)變和它所受的縱向應(yīng)變的關(guān)系為：的關(guān)系為： BS =B （1- ）式中式中是光纖的彈光系數(shù)，是光纖的彈光系數(shù)， =n*n/2 11 (11 12) 11和和12是光纖的光學(xué)應(yīng)力張量，是光纖的光學(xué)應(yīng)力張量，是泊松系數(shù)。是泊松系數(shù)。 壓力靈敏度壓力靈敏度 壓力影響也是由光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的壓力影響也是由光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的。假設(shè)溫度場和軸向拉力。假設(shè)溫度場和軸向拉力保持恒定，光纖處于一個均勻壓力場保持恒定，光纖處于一個均勻壓力場P中，軸向應(yīng)變會使光柵的柵距改變，即：中，軸向應(yīng)變會使光柵的柵距改變，即： 有效折射率的變化為：有效折射率的變化為

10、：其壓力靈敏度為：其壓力靈敏度為： FBG傳感器調(diào)解方法傳感器調(diào)解方法1.1.邊緣濾波器法邊緣濾波器法 邊緣濾波器法中輸入波長漂移量和輸出量光強(qiáng)度變化量線性關(guān)系，這種方邊緣濾波器法中輸入波長漂移量和輸出量光強(qiáng)度變化量線性關(guān)系，這種方法是法是通過探測濾波器的輸出強(qiáng)度來計算波長漂移量的變化。通過探測濾波器的輸出強(qiáng)度來計算波長漂移量的變化。2.2.可調(diào)諧濾波器法可調(diào)諧濾波器法 可調(diào)諧濾波器法可以用于測試可調(diào)諧濾波器法可以用于測試FBG的波長飄移，其主要是利用了的波長飄移，其主要是利用了可調(diào)諧濾可調(diào)諧濾波器的輸出波器的輸出是是FBG輸出譜和可調(diào)諧濾波器譜的卷積輸出譜和可調(diào)諧濾波器譜的卷積的原理，測量的

11、分辨率主的原理，測量的分辨率主要取決于要取決于FBG返回信號的信噪比，以及可調(diào)諧濾波器和返回信號的信噪比，以及可調(diào)諧濾波器和FBG的帶寬。的帶寬。3.3.干涉儀掃描法干涉儀掃描法 19921992年和年和19931993年，年，KerseyKersey等人報道了等人報道了干涉儀掃描法可以用于測量干涉儀掃描法可以用于測量因應(yīng)變或溫度引起的因應(yīng)變或溫度引起的FBGFBG波長漂移量波長漂移量，這種方法在，這種方法在動態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測動態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測量中具有較高的分辨率。量中具有較高的分辨率。4.4.雙腔干涉儀掃描法雙腔干涉儀掃描法 19961996年，年，RaoRao等人提出可以在干涉儀中使用等人

12、提出可以在干涉儀中使用長短兩個腔，以得到長短兩個腔，以得到兩組干涉條紋，利用這兩組干涉條紋可以提高絕對測量范圍。兩組干涉條紋，利用這兩組干涉條紋可以提高絕對測量范圍。FBGFBG的分類的分類 根據(jù)傳感器與被測結(jié)構(gòu)的根據(jù)傳感器與被測結(jié)構(gòu)的相對位置相對位置關(guān)系可分為關(guān)系可分為表面式表面式和和埋入式埋入式。根。根據(jù)傳感器據(jù)傳感器封裝方式封裝方式的不同的不同, ,可分為可分為管式、基片式、嵌入式管式、基片式、嵌入式等。等。 1.1.管式封裝管式封裝FBGFBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器 管式封裝管式封裝FBG應(yīng)變傳感器首先應(yīng)變傳感器首先將裸光纖光柵置于套管中將裸光纖光柵置于套管中,施加一定的預(yù)施加一定的預(yù)應(yīng)

13、力使光纖光柵保持平直應(yīng)力使光纖光柵保持平直,再在套管和光纖之間灌入封裝膠再在套管和光纖之間灌入封裝膠,從而將光纖光從而將光纖光柵牢牢嵌固在套管內(nèi)部。柵牢牢嵌固在套管內(nèi)部。封裝膠具有一定強(qiáng)度封裝膠具有一定強(qiáng)度,能很好地將結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳能很好地將結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳遞至光纖光柵。遞至光纖光柵。 管式封裝結(jié)構(gòu)具有管式封裝結(jié)構(gòu)具有良好的抗干擾能力。良好的抗干擾能力。 安裝于結(jié)構(gòu)后能準(zhǔn)確、快速安裝于結(jié)構(gòu)后能準(zhǔn)確、快速地感受基體結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化地感受基體結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化, 是一種性能良好的是一種性能良好的FBG 應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器。 基片式封裝基片式封裝FBG應(yīng)變傳感器基本結(jié)構(gòu)是應(yīng)變傳感器基本結(jié)構(gòu)是在其傳感器基片上刻

14、一在其傳感器基片上刻一小槽，然后用黏結(jié)劑將裸光纖光柵固定在小槽內(nèi)小槽，然后用黏結(jié)劑將裸光纖光柵固定在小槽內(nèi)?？绦〔鄣哪康闹??？绦〔鄣哪康闹饕窃黾踊凸饫w的接觸面積，從而能有效地將基片的應(yīng)變傳遞要是增加基片和光纖的接觸面積，從而能有效地將基片的應(yīng)變傳遞到光纖光柵上。到光纖光柵上。 相比于管式封裝相比于管式封裝,基片式封裝結(jié)構(gòu)不需要將黏結(jié)劑灌入套管，基片式封裝結(jié)構(gòu)不需要將黏結(jié)劑灌入套管，傳傳感器制作比較方便感器制作比較方便,適合于結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變的測量適合于結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變的測量。但是在使用過程中。但是在使用過程中,黏結(jié)劑直接暴露在空氣中黏結(jié)劑直接暴露在空氣中,容易受到環(huán)境腐蝕容易受到環(huán)境腐蝕，其耐久

15、性需要進(jìn)一步，其耐久性需要進(jìn)一步研究。研究。2 .2 .基片式封裝基片式封裝FBGFBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器 由于光纖光柵傳感器體積小由于光纖光柵傳感器體積小, , 靈敏度高，靈敏度高，所以將光纖光柵埋入材料內(nèi)所以將光纖光柵埋入材料內(nèi)部，可使材料具有自我感知能力部，可使材料具有自我感知能力。因此。因此, , 將將FBGFBG應(yīng)變傳感器嵌入材料內(nèi)部應(yīng)變傳感器嵌入材料內(nèi)部的嵌入式封裝具有重要的實(shí)際意義。的嵌入式封裝具有重要的實(shí)際意義。嵌入式封裝應(yīng)變傳感器的性能很大程嵌入式封裝應(yīng)變傳感器的性能很大程度上取決于封裝材料的性能度上取決于封裝材料的性能，因為，因為FBGFBG纖芯的應(yīng)變是纖芯的應(yīng)變是通過封

16、裝材料傳遞通過封裝材料傳遞的。的。 實(shí)例實(shí)例：將裸光纖光柵埋入玻璃纖維增強(qiáng)塑料中將裸光纖光柵埋入玻璃纖維增強(qiáng)塑料中, , 做成直徑做成直徑22mm22mm、長、長為為1000 mm 1000 mm 的的FBGFBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器, ,并用于直徑混凝土樁在擬靜力循環(huán)荷載下的并用于直徑混凝土樁在擬靜力循環(huán)荷載下的現(xiàn)場實(shí)測現(xiàn)場實(shí)測, ,結(jié)果表明該傳感器與傳統(tǒng)應(yīng)變片具有很好的一致性結(jié)果表明該傳感器與傳統(tǒng)應(yīng)變片具有很好的一致性3 3嵌入式封裝嵌入式封裝FBGFBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器 光纖光柵傳感器的特點(diǎn)光纖光柵傳感器的特點(diǎn) 抗電磁干擾抗電磁干擾 電絕緣性能好，安全可靠電絕緣性能好，安全可靠 耐腐

17、蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定 體積小、重量輕，幾何形狀可塑體積小、重量輕，幾何形狀可塑 傳輸損耗小傳輸損耗小 傳輸容量大傳輸容量大 測量范圍廣測量范圍廣光纖光柵傳感器的應(yīng)用光纖光柵傳感器的應(yīng)用由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優(yōu)越性，因此，自由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優(yōu)越性，因此，自GMeltz等人首次等人首次報道將光纖布拉格光柵應(yīng)用于傳感器以來，已經(jīng)在報道將光纖布拉格光柵應(yīng)用于傳感器以來，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、橋梁、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、航空航天、民用工程結(jié)構(gòu)民用工程結(jié)構(gòu)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光纖相干層析成像技術(shù)光

18、纖相干層析成像技術(shù)(OCT)主要應(yīng)用于主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域。它為。它為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測提供了一種有效的方式。利用生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測提供了一種有效的方式。利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度測量可以實(shí)現(xiàn)深度測量的優(yōu)勢，并已有實(shí)例應(yīng)用于對生長中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測。的優(yōu)勢，并已有實(shí)例應(yīng)用于對生長中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測。 航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用光纖光柵傳感器具有光纖光柵傳感器具有成本低、體積小、重量輕和性能高等優(yōu)勢成本低、體積小、重量輕和性能高等優(yōu)勢，故在航天及，故在航天及軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，漢普頓大學(xué)和軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用

19、。例如，漢普頓大學(xué)和NASA蘭利研究中心，利用蘭利研究中心，利用光光纖光柵溫度剪切應(yīng)力傳感器，來分辨溫度和剪切應(yīng)力引起的布拉格波長偏移，纖光柵溫度剪切應(yīng)力傳感器，來分辨溫度和剪切應(yīng)力引起的布拉格波長偏移，從而廣泛應(yīng)用于空氣動力學(xué)設(shè)備。從而廣泛應(yīng)用于空氣動力學(xué)設(shè)備。光纖光柵溫度剪切應(yīng)力傳感器光纖光柵溫度剪切應(yīng)力傳感器智能橋梁建筑材料應(yīng)用智能橋梁建筑材料應(yīng)用智能材料智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實(shí)現(xiàn)對其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、以及故障的實(shí)時監(jiān)控。料常規(guī)工作的同時實(shí)現(xiàn)對其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、以及故障的實(shí)時監(jiān)控。將光纖應(yīng)用于

20、將光纖應(yīng)用于橋梁測試中，可實(shí)現(xiàn)對橋梁鋼索的索力及預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)橋梁測試中，可實(shí)現(xiàn)對橋梁鋼索的索力及預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性的測量和測控，從而構(gòu)成智能橋梁。變特性的測量和測控，從而構(gòu)成智能橋梁。 實(shí)例：實(shí)例：加拿大的加拿大的Rotest公司基于公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纖傳白光干涉原理研制的光纖傳感器具有很高的精度和重復(fù)性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內(nèi)部，對感器具有很高的精度和重復(fù)性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內(nèi)部，對應(yīng)變、位移、裂縫、空隙壓力等進(jìn)行監(jiān)測；我國的繆延彪教授建立了一種新應(yīng)變、位移、裂縫、空隙壓力等進(jìn)行監(jiān)測；我國的繆延彪教授

21、建立了一種新的波長干涉儀試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的絕對距離測量。的波長干涉儀試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的絕對距離測量。光纖光柵應(yīng)用于橋梁檢測光纖光柵應(yīng)用于橋梁檢測工礦企業(yè)系統(tǒng)工礦企業(yè)系統(tǒng)基于光纖的彈光效應(yīng)，基于光纖的彈光效應(yīng)，F(xiàn)BG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測中。器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測中。在許多特殊場合，如核工業(yè)、化工、石油鉆探等都應(yīng)用了監(jiān)測傳感系統(tǒng)。在許多特殊場合，如核工業(yè)、化工、石油鉆探等都應(yīng)用了監(jiān)測傳感系統(tǒng)。 實(shí)例實(shí)例：2001年，美國年，美國CiDRA公司采用光纖布拉格光柵傳感器在加利福尼亞公司采用光纖布拉格光柵傳感器在加利福尼亞的的Baker油田進(jìn)

22、行了壓力測試，測程為油田進(jìn)行了壓力測試，測程為0103 MPa，準(zhǔn)確度為，準(zhǔn)確度為413 kPa，分，分辨率為辨率為206 kPa，可見其具有非常高的精度。，可見其具有非常高的精度。光纖光柵油井壓力傳感器光纖光柵油井壓力傳感器FBGFBG傳感器的前景展望傳感器的前景展望1) 1) 具有體積小、對結(jié)構(gòu)影響小的特點(diǎn)具有體積小、對結(jié)構(gòu)影響小的特點(diǎn)。 將其埋入混凝土結(jié)構(gòu)中將其埋入混凝土結(jié)構(gòu)中, , 需要對需要對其準(zhǔn)確定位其準(zhǔn)確定位, ,融入結(jié)構(gòu)體系中融入結(jié)構(gòu)體系中, ,以取得需要的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以取得需要的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù). . 目前常用的埋入方目前常用的埋入方法主要有抽管法、預(yù)留孔法等法主要有抽管法、預(yù)留孔法等, ,這些埋入方式均不能使傳感器準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)設(shè)這些埋入方式均不能使傳感器準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)設(shè)位置并與結(jié)構(gòu)很好地結(jié)合成整體。位置