光纖傳感原理

光纖傳感原理北京交大光信息所1第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所2引言1光纖光柵是現(xiàn)代光纖傳感中應用最廣泛的器件與技術光纖光柵是利用光致折射率改變效應，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。第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所3波長調(diào)制型光纖傳感器應用：應力、應變、振動、位移、溫度、濃度等優(yōu)點:小巧、柔軟、抗干擾能力強；集傳感與傳輸于一體、易于制作和應用；波長分離能力強、傳感精度和靈敏度極高、能絕對數(shù)字測量和精確定位。缺點:檢測比較復雜，對光源要求高第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所4基本原理與應用2FBG及其傳感原理光纖Bragg光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）是一種反射型濾波器件，其機理是后向傳播的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1μm。芯層包層Λ包層折射率n2芯層折射率n1感光折射率nλ1λ2…λn第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所5芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法制作FBG第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所6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,φ,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結構。折射率調(diào)制周期λUV：紫外光源波長θ：兩相干光束之間的夾角第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所7由于周期的折射率擾動僅會對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時，入射光能在相應的波長上被反射回來，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)諧波長反射的現(xiàn)象最早由W?Bragg爵士提出，這種光纖光柵被稱為光纖布喇格光柵（FBG）。λIFBG反射譜λBλI輸入譜λIFBG透射譜λB第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所8FBG的反射譜的中心波長：neff：光纖芯區(qū)有效折射率Λ：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)生軸向應變與折射率變化，柵距也隨之變化，導致反射波長變化：傳感原理第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所9光纖光柵中心波長的變化與溫度、應變的關系：：熱膨脹系數(shù)：彈光系數(shù)：熱光系數(shù)光纖光柵在實際應用中通常是封裝在壓力或溫度增敏材料中，以提高檢測的精度。第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所10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）作為檢測光柵，使兩個光柵的反射譜部分重疊，即設置合適的偏置．傳感光纖光柵的輸出信號為檢測光纖光柵的輸入信號。輸出信號、輸入信號都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所11當光纖光柵受到外界微擾時，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固定的，當傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時，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度成正比．當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較強，反之則較弱，檢測器檢測到的光強是傳感光纖光柵FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個光譜函數(shù)的卷積。因此對FBG1上的微擾，在FBG2的反射譜中可檢測到對應的光強變化的信號。第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所12B.F-P腔波長濾波解調(diào)法解調(diào)裝置采用調(diào)諧腔長的方法，在透射光強達到最大值時求出入射波長。第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所13FBG傳感基本術語傳感器波長：FBG反射譜的中心波長傳感器帶寬：FBG反射譜的帶寬（3dB）

反射率：反射光功率的比例，決定信號強度90%。邊模抑制:對光譜旁瓣的抑制能力，15dB第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所14FBG傳感應用概述FBG具有多傳感器復用能力，在準分布測量、多參數(shù)組合測量等方面顯現(xiàn)出誘人的前景，在復合材料固化監(jiān)控、大型土建結構內(nèi)部應變分布及大型設備內(nèi)部應力、溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣闊的應用前景。第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所15通過在一根光纖上根據(jù)應用要求刻寫多個不同布喇格波長的光柵，可實現(xiàn)分布式傳感，而且可以實現(xiàn)單端檢測；同時還能進一步集合成分布傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，廣泛應用于對工程結構的應力、應變、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實時、在線、分布式檢測。目前，光纖光柵傳感器在橋梁安全監(jiān)測方面占絕對地位。加拿大BeddingtonTrail大橋最早使用（1993年），16個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上，對橋梁結構進行長期監(jiān)測。第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所161999年夏，美國新墨西哥LasCruces10號高速公路的一座鋼結構橋梁上，安裝了120個光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當時的記錄。這套光纖光柵傳感系統(tǒng)不僅可以對標準車輛進行探測和計數(shù)，而且可以測量車輛的速度和重量，有了此系統(tǒng)，就能監(jiān)視動態(tài)荷載引起的結構響應、退化和損壞，了解橋梁對交通響應的長期變化。第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所171.

深圳市民中心大廈光纖光柵智能健康監(jiān)測系統(tǒng)；2.

襄樊漢江四橋錨索光纖光柵應力監(jiān)測系統(tǒng)；3.

寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應力分布測量系統(tǒng)；4.

巴東長江大橋雙塔光纖光柵和應力施工監(jiān)測系統(tǒng)長期智能健康監(jiān)測系統(tǒng)；5.

海口世紀大橋光纖光柵長期健康監(jiān)測系統(tǒng)；6.

貴陽冷飯盒大橋光纖光柵預應力施工監(jiān)控系統(tǒng)及長期智能健康系統(tǒng)。第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所18光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計算機使用現(xiàn)場控制室內(nèi)傳輸光纜連接光纜FBG探頭光纖光柵監(jiān)測報警系統(tǒng)結構示意圖第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所19煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日北京交大光信息所20FBGP系列壓力傳感器

FBGPXXX11型光纖光柵壓力計通過端頭導壓孔將壓力傳遞到敏感元件，通過檢測敏感元件――光纖光柵反射的光信號波長的移動量得出實際壓力值。具有全光測量和信號傳輸、現(xiàn)場不供電、不受雷擊、不受電磁干擾、超長使用壽命等特點。FBGPXXX11型光纖光柵壓力計可用于管道和壓力容器內(nèi)油、水、氣等不同介質(zhì)的壓力測量。應用領域：儀器特點：工業(yè)生產(chǎn)過程控制高精度壓力容器測量長期可靠油、水、氣壓力測量全光檢測，不受電磁干擾油罐內(nèi)油氣壓力監(jiān)測可進行