光纖光柵傳感器的原理及應(yīng)用

光纖光柵傳感器的原理及應(yīng)用

1傳感器的組成及其原理20世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活得到了改善，新建筑的數(shù)量不斷增加，對建筑的及時(shí)監(jiān)控成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。光纖光柵傳感器正是在這時(shí)應(yīng)運(yùn)而生,其超過以往各類傳感器的優(yōu)勢,成為傳感器行業(yè)的一只獨(dú)秀。傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換可用輸出信號的器件或裝置。在有些學(xué)科領(lǐng)域,傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉(zhuǎn)換器等。在電子技術(shù)領(lǐng)域,常把能感受信號的電子元件稱為敏感元件,如熱敏元件,磁敏元件,光敏元件,還有氣敏元件等,而在超聲波技術(shù)中則強(qiáng)調(diào)的是能量的轉(zhuǎn)換,如壓電式換能器。這些提法在含義上有些狹窄,而傳感器一詞是使用最為廣泛的概括的用語。傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中,敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分;轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換適于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器的輸出信號一般都很微弱,因此需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對其進(jìn)行放大,運(yùn)算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用,傳感器的信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外,信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有的輔助電源。因此,信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。在生產(chǎn)過程和實(shí)驗(yàn)中,要對各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測和控制,就要求傳感器能感受被測電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量,這取決于傳感器的基本特性,即輸出—輸入特性。如果把傳感器看作二端口網(wǎng)絡(luò),即有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端,那么傳感器的輸出—輸入特性是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性。傳感器的基本特性可用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性來描述。決定傳感器性能的技術(shù)指標(biāo)很多,要求一個(gè)傳感器具有全面良好的性能指標(biāo),不僅給設(shè)計(jì)、制造造成困難,而且在實(shí)用上也沒有必要。因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要與可能,在確保主要指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,放寬對次要的指標(biāo)的要求,以求得高的價(jià)格比。在設(shè)計(jì)、制造傳感器時(shí)合理選擇其結(jié)構(gòu)、材料和參數(shù)是保證具有良好性能指標(biāo)價(jià)格比前提。2光纖光柵傳感器光纖是比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的,每一根光纖由一個(gè)圓柱型纖芯包層組成,而纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2,它們的相對折射率差用Δ表示:眾所周知,真空中光是直線傳播的。光纖工作的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射。兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成角θ時(shí),根據(jù)斯奈爾定律,在光纖內(nèi)的折射角成θ1。然后以φ角入射與包層的界面。當(dāng)角φ大于纖芯與包層間的臨界角φc時(shí):則射入的光線在光纖的界面上產(chǎn)生全反射,并在光纖的內(nèi)部以同樣的角度逐次反射,直至傳播到令一端面。根據(jù)斯奈爾定律,在端面的入射的光滿足全反射條件時(shí)入射角θc為:式中,no為光纖所處環(huán)境的折射率,一般為空氣,則no=1。光柵是由很多相等節(jié)距的透光和不透光的刻線相同排列構(gòu)成的柵形光器件。也稱為刻線間距很小的標(biāo)尺或刻度盤。光柵的主要特點(diǎn)是:一是間距小;二是條紋長;三是大多數(shù)情況下線寬度等于縫隙寬度。設(shè)ω為柵距,a為線寬,b為縫寬,一般,則:光纖Bragg光柵(FBG-FiberBraggGrating)傳感器是一種新型的光纖傳感器。它是利用光纖材料的光敏性,通過紫外光曝光的方法將入射光的相干場圖形寫入纖芯,在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化,從而形成永久性空間的相位光柵,其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí),滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產(chǎn)生反射,其余的波長將透過光纖光柵繼續(xù)往前傳輸,利用光纖光柵這一特性可制成許多性能獨(dú)特的光電子器件。同傳統(tǒng)的電傳感器相比,光纖光柵傳感器在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢:(1)可靠性好、抗干擾能力強(qiáng);(2)傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小,適于各種應(yīng)用場合,尤其適合于埋入材料內(nèi)部構(gòu)成所謂的智能材料或結(jié)構(gòu);(3)對象廣泛;(4)抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全;(5)可復(fù)用性強(qiáng);(6)成本低。有些種類的光纖光柵傳感器,其成本大大低于現(xiàn)有同類傳感器。光纖Bragg光柵只反射Bragg波長光,起B(yǎng)ragg反射濾波片作用,而Bragg波長與外界溫度、壓力變化成正比。因此,其可做成溫度、應(yīng)力分布式傳感器。光纖光柵的折射率呈周期變化,其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合,光纖及其不同傳播常數(shù)有如下關(guān)系式(即相位匹配條件):式中:Λ為光柵周期;β1、β2分別為模式1和模式2的傳播常數(shù),前向傳播為正,后向傳播為負(fù);Δβ為耦合模之間的傳播常數(shù)差。根據(jù)Λ的長短不同,可將周期性的光纖光柵分為短周期(Λ<1μm)和長周期(Λ>1μm)兩類。對于短周期的光纖光柵,當(dāng)光譜光波在其中傳播時(shí),兩個(gè)反向傳播的芯模(導(dǎo)模)LP01之間產(chǎn)生能量耦合,形成特定波長為λB的反射波,對于前向傳播的LP01,模β1=β01;對于后向傳播的LP01,模β1=-β01。兩耦合模的傳播常數(shù)差Δβ=2β01較大,這種光柵稱為布拉格光柵。光纖光柵的中心波長隨溫度及應(yīng)變的變化而變化,在光通信領(lǐng)域中,這成為光纖光柵應(yīng)用的難題之一,而在傳感領(lǐng)域,它又成為十分必要的技術(shù)基礎(chǔ),如圖1所示。對于光纖光柵,滿足布拉格條件的入射光波長(即中心波長)被光纖光柵反射:其中:λ為光柵中心波長;n為纖芯有效折射率;Λ為纖芯折射率的調(diào)制周期。光纖光柵的中心波長會隨溫度和應(yīng)變而變化,則有:其中:λ為光纖光柵中心波長變化量;ε為應(yīng)變量;T為溫度變化。光纖光柵傳感器的傳感原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示。共振波長稱為Bragg波長(λB)。對于長周期光纖光柵,前向傳輸?shù)腖P01模(β1=β01>0)與前向傳輸?shù)牡趎階包層模(相耦合,△β值較小,因此光柵周期較大,長周期光纖光柵的周期一般為數(shù)百個(gè)微米。由耦合模理論可知,只有滿足布拉格(Bragg)條件(如式2-6)的光波才能被FBG反射:式中,λB為FBG的反射光波中心波長,亦稱為特征波長;neff為纖芯的有效折射率。從(2—6)式中可以看出,當(dāng)纖芯有效折射率neff或光柵周期Λ改變時(shí),中心反射波長也會相應(yīng)的改變。而FBG的A或neff會受到外界的溫度或壓力等因素變化的影響而改變。因此通過對FBG的中心反射波長進(jìn)行檢測,可獲知結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、溫度等外界條件的變化。這種傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是光纖應(yīng)變與Bragg波長存在一一對應(yīng)的關(guān)系,這就使精確測量應(yīng)變成為可能,同時(shí)也避免了電源的干擾(電力系統(tǒng)有意的或意外的中斷),而這正是其它傳感器的缺點(diǎn)(通常它們只能測量小應(yīng)變,并且需要特殊的解調(diào)裝置才能進(jìn)行精確測量)。3光纖光柵傳感器在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的測量民用工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測,日益引起人們的重視,光纖傳感技術(shù),尤其是光纖光柵傳感技術(shù),因其易構(gòu)成高性能、低成本的傳感器陣列,并在結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)用工程中,具有巨大的潛力。光纖光柵傳感器的應(yīng)用范圍非常廣,在橋梁、建筑、海洋石油平臺、油田及航空、大壩等工程都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)安全、溫度及應(yīng)變監(jiān)測。民用工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài),力學(xué)參數(shù)的測量對于橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運(yùn)動(dòng)場館的維護(hù)是至關(guān)重要的,通過測量建筑物的分布應(yīng)變,可以預(yù)知局部荷載的狀態(tài)。光纖光柵傳感器既可以貼在現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的表面,也可以在澆筑時(shí)埋入結(jié)構(gòu)中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,監(jiān)視結(jié)構(gòu)缺陷的形成和生長。另外,多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式檢測,傳感信號可以傳輸很長距離送到中心監(jiān)控室進(jìn)行遙測。因此在民用工程中,光纖光柵傳感器成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測的最重要手段。目前,應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。BeddingtonTrail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測量的橋梁之一(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,這在以前被認(rèn)為是不可能。光纖光柵形變傳感器提供了一種用于公路及橋梁、建筑、堤壩的健康監(jiān)測的方法,而且也可以為監(jiān)測交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數(shù)據(jù)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài),力學(xué)參數(shù)的測量對于橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運(yùn)動(dòng)場館的維護(hù)是至關(guān)重要的,通過測量建筑物的分布應(yīng)變,可以預(yù)知局部荷載的狀態(tài)。光纖光柵傳感器既可以貼在現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的表面,也可以在澆筑時(shí)埋入結(jié)構(gòu)中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,監(jiān)視結(jié)構(gòu)缺陷的形成和生長。另外,多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式檢測,傳感信號可以傳輸很長距離送到中心監(jiān)控室進(jìn)行遙測。因此在民用工程中,光纖光柵傳感器成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測的最重要手段。1999年夏,在美國新墨西哥LasCruces10號州際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)在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的紀(jì)錄。這座橋梁于1970年建成,已經(jīng)出現(xiàn)了許多疲勞裂紋,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),而且要以測量車輛的速度和重量,有了此系統(tǒng),就能監(jiān)視動(dòng)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。光纖光柵傳感器在工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和存在問題:(1)業(yè)化批量生產(chǎn)技術(shù)重大工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測無疑是靠大量傳感器來完成的。深入開展光纖光柵工業(yè)化批量生產(chǎn)技術(shù)的研究,保證批量生產(chǎn)的光纖光柵技術(shù)指標(biāo)、可靠性和重復(fù)性,不僅可以降低成本,而且對于保證整個(gè)傳感系統(tǒng)的可調(diào)配性,提高系統(tǒng)的性能,及后續(xù)的封裝工藝、埋設(shè)工藝的一致性,都是至關(guān)重要的。(2)傳感器的布置原則傳感器的埋設(shè)工藝必須達(dá)到兩個(gè)目的。一是保證結(jié)構(gòu)的應(yīng)變完全傳遞到傳感器,由傳感器表征出來;二是保證傳感器的使用壽命滿足重大工程結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測的目的。與其它領(lǐng)域相比(如機(jī)械),大型土木工程的施工、服役環(huán)境惡劣。因此傳感器的埋設(shè)工藝是傳感技術(shù)工程化的關(guān)鍵。應(yīng)變材料、襯貼材料和粘貼劑的蠕變、老化,都會影響光纖光柵在物件上長期檢測的可靠性。(3)光纖光柵的優(yōu)點(diǎn)一般的土木結(jié)構(gòu)使用期較長,尤其是重要結(jié)構(gòu),如橋梁、隧道等一般都在幾十年甚至上百年,要求埋入的光纖光柵必須保證其在結(jié)構(gòu)內(nèi)的穩(wěn)定與可靠。光纖光柵的主要成分是石英,在水泥的強(qiáng)堿作用下容易受到腐蝕,因此必須提高光纖光柵保護(hù)層的抗腐蝕能力。有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明:高分子材料涂層能很好的改進(jìn)光纖光柵的化學(xué)腐蝕能力。(4)光纖光柵解調(diào)技術(shù)用于結(jié)構(gòu)損傷自診斷系統(tǒng)的解調(diào)技術(shù)有其特殊的要求:從其原理上要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量,必須采用多點(diǎn)并口同步采樣的光纖光柵解調(diào)技術(shù);從其應(yīng)用上,要滿足結(jié)構(gòu)診斷技術(shù)上對傳感器數(shù)量上、精度上的要求,達(dá)到工程化的目的,必須研究適合不同工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測要求的光纖解調(diào)方法和器件,降低成本。(5)光纖光柵傳感器檢測法律條件中,光纖光柵傳感器所測罪犯一般在相光纖光柵傳感器有較高的精度,能精確到0.1pm,對應(yīng)有0.1με。然而,土木工程的破壞變形(如裂縫、地震損傷等等)都較大,而光纖光柵傳感器的變形范圍相對來說小一些。有關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明:光纖光柵傳感器測量應(yīng)變的能力超過8000με,只要對光纖傳感器進(jìn)行較好的保護(hù),在普通的工程中應(yīng)用(如測量應(yīng)變、裂紋等等)是能滿足需要的。4測試系統(tǒng)的應(yīng)用高新技術(shù)的飛速發(fā)展,為土木工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測提供了新的方法和手段,同時(shí)也不斷開拓出新的研究方向和新的課題。光纖光柵傳感器代表了一種全新的傳感技術(shù),將使結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測與完全診斷成為可能。光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域,有著非常廣闊的發(fā)展前景。目前限制光纖光柵傳感器大量實(shí)際應(yīng)用的最主要障礙就是傳感信號的解調(diào)。正在研究的光纖光柵傳感解調(diào)方法有許多,但是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多,而且價(jià)格昂貴。例如,美國的MicronOptics是一家光纖光柵傳感解調(diào)產(chǎn)品做得比較好的公司,他們用可調(diào)F-P腔濾波方法生產(chǎn)的FBGIS,其動(dòng)態(tài)范圍約30nm,分辨率為1pm,測量精度±5pm,掃描速度50Hz,價(jià)格約2萬美元。他們新推出的FBGSLI采用可調(diào)激光掃描方法,其動(dòng)態(tài)范圍>30nm,分辨率為1pm,測量精度±5pm,掃描速度100Hz,可以同時(shí)對四路光纖多達(dá)256個(gè)布拉格光柵進(jìn)行查尋,但價(jià)格貴,需好幾萬美元。BlueRoadResearch推出一種基于啁啾光柵的解調(diào)系統(tǒng),取樣率可達(dá)7kHz,并稱最高可達(dá)3MHz,價(jià)格約5千美元,但這種解調(diào)系統(tǒng)只能解調(diào)一個(gè)光纖光柵,而且分辨率和精度都不高。美國Luna準(zhǔn)備今年完成DGDS的原型機(jī),號稱可以同時(shí)測量4根8m光纖上的3000個(gè)布拉格光柵傳感器,報(bào)價(jià)為10萬美元。如此高的價(jià)格很難在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用,因此研究開發(fā)適于實(shí)際工程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng),降低解調(diào)系統(tǒng)的成本,是使光纖光柵傳感器能夠在實(shí)際工程應(yīng)用中得到推廣的關(guān)鍵問題。國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,加快和促進(jìn)光纖光柵傳