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(yīng)用最廣泛的器件與技術(shù)光纖光柵是利用光致折射率改變效應(yīng)，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(yīng)用：應(yīng)力、應(yīng)變、振動、位移、溫度、濃度等優(yōu)點(diǎn):小巧、柔軟、抗干擾能力強(qiáng)；集傳感與傳輸于一體、易于制作和應(yīng)用；波長分離能力強(qiáng)、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(diǎn):檢測比較復(fù)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(yīng)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(jī)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(xì)結(jié)構(gòu)。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(shí)，入射光能在相應(yīng)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(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之變化，導(dǎo)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(yīng)變的關(guān)系：：熱膨脹系數(shù)：彈光系數(shù)：熱光系數(shù)光纖光柵在實(shí)際應(yīng)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(gè)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(gè)光柵的反射譜部分重疊，即設(shè)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(dāng)光纖光柵受到外界微擾時(shí)，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(dāng)傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時(shí)，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(qiáng)度成正比．當(dāng)兩光柵反射譜重疊面積較大時(shí)，探測器探測到的光信號較強(qiáng)，反之則較弱，檢測器檢測到的光強(qiáng)是傳感光纖光柵FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個(gè)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(yīng)的光強(qiáng)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(qiáng)達(dá)到最大值時(shí)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(shù)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(qiáng)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(yīng)用概述FBG具有多傳感器復(fù)用能力，在準(zhǔn)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(fù)合材料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布及大型設(shè)備內(nèi)部應(yīng)力、溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣闊的應(yīng)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(yīng)用要求刻寫多個(gè)不同布喇格波長的光柵，可實(shí)現(xiàn)分布式傳感，而且可以實(shí)現(xiàn)單端檢測；同時(shí)還能進(jìn)一步集合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于對工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實(shí)時(shí)、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(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料筋上，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了120個(gè)光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的記錄。這套光纖光柵傳感系統(tǒng)不僅可以對標(biāo)準(zhǔn)車輛進(jìn)行探測和計(jì)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(jié)構(gòu)響應(yīng)、退化和損壞，了解橋梁對交通響應(yīng)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(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)；3.

寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應(yīng)力分布測量系統(tǒng)；4.

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

?？谑兰o(jì)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(yù)應(yīng)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(jì)算機(jī)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(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jì)通過端頭導(dǎo)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(shí)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(diǎn)。FBGPXXX11型光纖光柵壓力計(jì)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(yīng)用領(lǐng)域：儀器特點(diǎn)：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(jìn)行