第8章_光纖光柵傳感器.ppt

1、第8章光纖光柵傳感器、光纖光柵傳感器、光纖光柵利用光纖材料的光靈敏度(外部入射光子與芯內(nèi)鍺離子的相互作用引起的折射率的永久變化)，在芯內(nèi)形成空間相位光柵。 在光學(xué)水平上，由于描述光纖光柵的傳輸特性的基本殘奧儀表是反射率、透射率、中心波長(zhǎng)、反射帶寬以及光柵方程式等，所以基于光纖光柵的器件的分析和設(shè)定修正主要通過上述的基本光學(xué)殘奧儀表。 另外，光纖光柵傳感器作為傳感器單元，光纖光柵的主要優(yōu)點(diǎn)是，探測(cè)信息具有四位波長(zhǎng)編碼線性響應(yīng)的絕對(duì)測(cè)量和良好重現(xiàn)性。 另外，插入損耗低、窄頻帶的波長(zhǎng)反射有利于在1根單模光纖中的多路復(fù)用，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)中的星形、串聯(lián)、并聯(lián)和環(huán)連接。 光纖光柵由于其輕量、細(xì)徑、柔軟、

2、化學(xué)穩(wěn)定、耐高溫、電磁干擾(EMI )等光纖的固有特性，被認(rèn)為是理想的傳感材料。 其中，基于光纖Bragg光柵的傳感器通過外部殘奧儀表調(diào)制其Bragg中心波長(zhǎng)來取得傳感信息，光纖光柵傳感器在研究初期被認(rèn)為是光纖Bragg光柵的理想的傳感器單元對(duì)于光纖，波長(zhǎng)編碼具有抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，特別是在兩個(gè)方面上出現(xiàn)：1)當(dāng)忽略光纖的非線性效應(yīng)時(shí)，普通傳輸光纖不影響傳輸光波的頻率特性。 2 )光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上不影響傳感信號(hào)的波長(zhǎng)特性，例如其他光纖傳感器的光強(qiáng)度起伏，例如光源強(qiáng)度起伏，光纖微彎效應(yīng)引起的隨機(jī)起伏和耦合損耗。 因此，基于光纖光柵的感測(cè)系統(tǒng)具有高可靠性和穩(wěn)定性。 光纖光柵傳感器在現(xiàn)有技術(shù)的條

3、件下，為了將光纖光柵應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，需要考慮以下8個(gè)主要問題。 (1)光纖光柵的機(jī)械可靠性和光學(xué)可靠性。 機(jī)械可靠性是指光纖光柵的拉伸、彎曲等性能；光學(xué)可靠性是指光柵的反射率、透射率、波長(zhǎng)、帶寬等光學(xué)殘奧儀表隨環(huán)境而變化。 現(xiàn)在作為商品出售的光纖光柵必須通過環(huán)境試驗(yàn)。 例如，在相對(duì)濕度85%、溫度85的濕箱中進(jìn)行1000 h試驗(yàn)，其光柵的上述光學(xué)性能沒有明顯變化-4085溫度下1000個(gè)循環(huán)，光學(xué)性能也沒有明顯變化等。 光纖光柵傳感器，(2)光纖光柵的壽命。 利用光纖光柵的經(jīng)時(shí)和溫度變化特性，可以定量評(píng)價(jià)光柵的壽命。 實(shí)驗(yàn)證明，通過在高溫下退火光柵，在今后的使用中穩(wěn)定。 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，在規(guī)

4、定溫度下初期發(fā)生崩潰，之后反射率相對(duì)穩(wěn)定。 例如，一個(gè)光纖光柵在370度的溫度下開始反射率的降低，然后光柵的反射率穩(wěn)定在大約2000小時(shí)以上。 因此，通過加速劣化，光柵反射率可以預(yù)測(cè)時(shí)間和溫度的變化。 光纖光柵傳感器，(3)光纖光柵的封裝。 寫入光柵時(shí)，一般為了除去保護(hù)層，機(jī)械強(qiáng)度大幅降低，所以作為實(shí)用的光纖光柵需要良好的封裝，需要考慮適當(dāng)?shù)幕宀牧?有機(jī)物或金屬等)和粘貼材料(環(huán)氧樹脂或特殊膏等)，影響壽命(4)交叉敏感的消除。 光纖光柵對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等多種殘奧儀表具有不同程度的敏感性，即交叉敏感性。 例如，當(dāng)在光纖光柵中測(cè)量失真時(shí)，溫度可以采用溫度補(bǔ)償(包括主動(dòng)補(bǔ)償和無源補(bǔ)償)、不均勻

5、光纖光柵等方式來敏化。 光纖光柵傳感器，(5)增感和脫感。利用特殊材料封裝，提高了所希望的殘奧儀表的傳感靈敏度，減弱了無關(guān)殘奧儀表的傳感靈敏度，在檢測(cè)中對(duì)無關(guān)殘奧儀表進(jìn)行剝離平滑化。 (6)寬光譜、高功率光源的獲得。 使用光纖光柵作為傳感器元件時(shí)，如果要擴(kuò)大其測(cè)量范圍，請(qǐng)使用寬光譜光源，另一方面，為了提高檢測(cè)的信噪比，要求光源輸出高。 因此，光源的選擇直接影響光纖光柵傳感系統(tǒng)的數(shù)量和抗干擾能力，值得充分重視。 光纖光柵傳感器，(7)波長(zhǎng)位移的檢測(cè)。 在以光纖布拉格光柵為基礎(chǔ)構(gòu)成的傳感系統(tǒng)中，傳感量主要是以波長(zhǎng)為單位的微小位移，因此傳感系統(tǒng)需要精密的波長(zhǎng)和波長(zhǎng)變化檢測(cè)裝置。 (8)光檢測(cè)器的波長(zhǎng)

6、分辨率。 光纖光柵傳感系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度直接依賴于檢測(cè)波長(zhǎng)變化的靈敏度，因此光電檢測(cè)器的波長(zhǎng)分辨率是光耦合技術(shù)的問題。 光纖光柵位移應(yīng)變傳感器利用懸臂梁的位移應(yīng)變傳感器，將光纖光柵簡(jiǎn)單地粘貼到矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)上，通過測(cè)量與懸臂梁不同點(diǎn)的應(yīng)變換算，得到實(shí)際的應(yīng)變和位移結(jié)果。 直接光纖光柵位移應(yīng)變傳感器，圖8-1懸臂梁結(jié)構(gòu)的光線光柵位移應(yīng)變傳感器，左側(cè)為被測(cè)量物，該物體通過一個(gè)突出物作用于垂直豎立的懸臂梁，光纖Bragg光柵僅通過直接粘貼在懸臂梁上張偉剛等人對(duì)該懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了垂直應(yīng)力、位移等力學(xué)量的測(cè)量。 其懸臂梁為矩形，在懸臂梁的自由端有直角三角形的約束框架。 懸臂梁由特殊的有機(jī)材

7、料合成，其長(zhǎng)度、寬度、厚度和楊氏模量分別為l、b、h、e，約束框架固定在梁上的a、b之間的作用桿的前端與沿著AB移動(dòng)的滑塊c接觸，下端d是受力點(diǎn)，作用桿在橫向?qū)к壣蠈㈤L(zhǎng)度為l、自由中心波長(zhǎng)的光纖Bragg光柵剛性粘貼在接近懸臂梁固定端q的上表面，將其中心位置與固定端的距離設(shè)為。 當(dāng)然，當(dāng)外力作用于作用桿d時(shí)，其動(dòng)作被約束框架限制。 即，通過橫向力，滑塊沿著橫向?qū)к壱苿?dòng)，作用桿橫向位移，作用桿前端的滑塊c從a點(diǎn)沿著約束框架向b點(diǎn)滑動(dòng)，使懸臂梁向下彎曲，通過拉伸接近懸臂梁固定端的FBG的縱向力，作用桿、利用光纖光柵實(shí)現(xiàn)垂直力學(xué)測(cè)量的裝置，圖8-2垂直力學(xué)測(cè)量裝置的圖像，除了對(duì)常用的懸臂梁進(jìn)行分析外

8、，侑有龍等人對(duì)現(xiàn)有的懸臂梁提出了改進(jìn)意見，基于改進(jìn)后的懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵位移傳感器對(duì)溫度的影響非常小部分解決了光纖光柵溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題，該懸臂梁為厚度呈階躍分布的等腰三角形，邊界線AB距固定端為a，距自由端q為b。 左右兩側(cè)的上表面齊平，兩側(cè)的厚度分別和。 恒定長(zhǎng)度的光柵沿著軸向剛度粘貼在上表面a-b附近，并用于使得邊界兩側(cè)的光柵的長(zhǎng)度近似相等，從而在測(cè)量期間兩側(cè)的光柵的反射光譜的峰值近似相等。 簡(jiǎn)支梁的光纖光柵位移傳感器，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵位移傳感器，圖8-3的幾種非一般形態(tài)的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵位移傳感器(a )層疊型(b )菱面體類型(c )同側(cè)雙力器同側(cè)雙功率型2、光

9、纖光柵振動(dòng)加速度傳感器通過在考慮變形時(shí)加上時(shí)間這一參考量，得到光纖光柵振動(dòng)加速度傳感器。 徐兆文等人提出了懸臂梁結(jié)構(gòu)和匹配光纖光柵法，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行了傳感實(shí)驗(yàn)研究。左圖所示的光源是帶有光學(xué)隔離器的寬帶光源，光學(xué)隔離器的作用是避免反向光對(duì)光源的影響，對(duì)于兩個(gè)耦合器的耦合比，光纖光柵FBG1是傳感器光柵，而光纖光柵FBG2是檢測(cè)匹配光柵右圖所示為傳感器光纖光柵FBG1的懸臂梁結(jié)構(gòu)。 該裝置的主體由彈性薄鋼振動(dòng)片、步進(jìn)裝置和纏繞線圈的電磁鐵構(gòu)成。 傳感器光柵粘貼在振動(dòng)片上。 當(dāng)信號(hào)源向線圈施加交變信號(hào)時(shí)，電磁鐵通過交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。 彈性薄鋼振動(dòng)片在周期性交變磁場(chǎng)的作用下振動(dòng)，彈片的振動(dòng)引起晶格常數(shù)

10、的周期性變化，從而使晶格峰反射波長(zhǎng)規(guī)則地往復(fù)漂移，將振動(dòng)信號(hào)耦合到感應(yīng)晶格上。圖8-4匹配光纖光柵法的振動(dòng)傳感模式圖、光纖光柵溫度傳感器，由裸光纖光柵封裝制作的溫度傳感器對(duì)裸光纖光柵的測(cè)定溫度的線性比較好，但由于靈敏度比較低圖(a )表示在單層的聚四氟乙烯上用環(huán)氧樹脂膏粘貼光纖光柵的結(jié)構(gòu)，圖(b )表示將上下2層的聚四氟乙烯作為鉗子粘貼環(huán)氧樹脂膏光纖光柵的結(jié)構(gòu)。 這兩種結(jié)構(gòu)是日本學(xué)者Totu Mizunami、Hiroaki Tatehata和Hideo Kawashima于2001年提出的。 之后的板式結(jié)構(gòu)多在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基材的改良和更換。圖8-5板式結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵壓力傳

11、感器、李燕等人在2000年設(shè)置了新的光纖光柵壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 將光纖光柵的兩端固定在2塊金屬板上，上金屬板通過精密調(diào)整螺釘產(chǎn)生微小的升降，可以作為負(fù)荷臺(tái)。 在光纖光柵的伸長(zhǎng)應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行螺旋調(diào)節(jié)，使光纖光柵產(chǎn)生盡可能大的伸長(zhǎng)，使測(cè)試保持較寬的線性范圍，同時(shí)在恒溫條件下，確定壓力傳感頭的測(cè)試零點(diǎn)。 可通過選擇不同的金屬板材或相同板材的不同厚度來設(shè)定、修正不同量的范圍。 簡(jiǎn)稱為、圖8-6光纖光柵壓力傳感器、光纖光柵水聲傳感器、水聲傳感器、水聽器，是在水中監(jiān)聽聲場(chǎng)信號(hào)的設(shè)備。 作為反潛聲的核心部件，在軍事領(lǐng)域有重要應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)和民間領(lǐng)域，也有海洋石油和天然氣的勘探、地震波勘探、水聲物理研究、海洋漁業(yè)等廣泛的用途。 來自波長(zhǎng)可調(diào)窄帶光源的光進(jìn)入耦合器并分成兩束，一束經(jīng)由隔離器進(jìn)入光循環(huán)器，首先進(jìn)入光纖Bragg光柵，反射光再次進(jìn)入光循環(huán)器，最后進(jìn)入光電檢測(cè)器。 如從布拉格光柵的特性可知，對(duì)于反射光的中心波長(zhǎng)，當(dāng)傳感器光柵到