第8章_光纤光栅传感器.ppt

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1、第八章第八章 光纤光栅传感器光纤光栅传感器 光纤光栅传感器光纤光栅传感器n光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。在光学层面，描述光纤光栅传输特性的基本参数为反射率、透射率、中心波长、反射带宽及光栅方程等，因此分析和设计基于光纤光栅的器件时，主要依据以上基本光学参数。光纤光栅传感器光纤光栅传感器n作为传感单元，光纤光栅的主要优势是检测信息为波长编码的具有四个数量级线性响应的绝对测量和良好的重复性。并且，插入损耗低和

2、窄带的波长反射提供了有利于在一根单模光纤上的复用，可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环形连接。由于光纤的本征属性，如质轻、径细、柔韧、化学稳定、耐高温、抗电磁干扰（EMI）等，光纤光栅已被视为一种理想的传感材料，其中，基于光纤Bragg光栅的传感器是通过外界参量对其Bragg中心波长的调制来获取传感信息，这是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器光纤光栅传感器n在研究早期，光纤Bragg光栅就被认为是理想的传感单元，适合于检测静态和动态参量，其检测信息为波长编码的绝对测量，可使传感器能自校准。对光纤而言，波长编码带来的好处是抗电磁干扰能力强，具体体现在两个方面：n1）当忽略光纤中的非线性效

3、应时，普通的传输光纤不会影响传输光波的频率特性。n2）光纤光栅传感系统从本质上排出了曾长期困扰其他光纤传感器的光强起伏干扰，例如，光源强度的起伏，光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等不可能影响传感信号的波长特性。因而，基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。光纤光栅传感器光纤光栅传感器n在现有技术条件下，光纤光栅在应用于传感领域，一般需考虑以下八个主要问题。n（1）光纤光栅的机械可靠性和光学可靠性。机械可靠性是指光纤光栅的抗拉、抗弯等性能；光学可靠性是指光栅的反射率、透射率、波长及带宽等光学参数在不同环境下的变化。目前，作为商品出售的光纤光栅均应通过环境试验，例如，在相对湿度85%，

4、温度为85的潮湿箱中试验1000 h，其光栅的上述光学性能应无明显变化；在-4085温度中循环1000次，光学性能也应无明显变化等。光纤光栅传感器光纤光栅传感器n(2)光纤光栅的寿命。可利用光纤光栅随时间和温度的变化特性来定量评估光栅的使用寿命。实验发现：高温下对光栅退火可使其在以后使用中保持稳定。进一步实验表明：在给定温度下衰变发生于初期，此后反射率变得相对稳定。例如，某种光纤光栅在370度高温下开始反射率下降，之后光栅的反射率可在约2000多个小时内保持稳定。因此利用加速老化的办法可预测光栅反射率虽时间和温度的变化。光纤光栅传感器光纤光栅传感器n(3)光纤光栅的封装。在写入光栅时，一般要除

5、去保护层，因而其机械强度大为降低，因此作为实用的光纤光栅应有良好的封装，一般应考虑适当的衬底材料（如有机物和金属等）和粘贴材料（如环氧树脂和特种胶等），否则会影响其使用寿命。n(4)交叉敏感的消除。光纤光栅对于应力、应变、温度等多种参量都具有不同程度的敏感性，即交叉敏感。例如，用光纤光栅测应变时，可采用温度补偿（包括主动补偿和被动补偿），非均匀光纤光栅等办法对温度去敏。光纤光栅传感器光纤光栅传感器n(5)增敏与去敏。通过特种材料的封装，提高期望参量的传感灵敏度，弱化无关参量的传感灵敏度，在检测中剥离和平滑无关参量。n(6)宽光谱、高功率光源的获得。在用光纤光栅作为传感元件时，若欲扩大其测量范围

6、，则应使用宽光谱光源；而要提高检测的信噪比，则要求光源输出功率高。因此，光源的选择直接影响光纤光栅传感系统的量程及抗噪声能力，应予以足够重视。光纤光栅传感器光纤光栅传感器n(7)波长移位的检测。以光纤Bragg光栅为基础构成的传感系统中，传感量主要是以波长为单位的微小移位（shift），因此，传感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。n(8)光检测器的波长分辨率。光纤光栅传感系统检测灵敏度直接取决于检测波长变化的灵敏度，因此，光检测器的波长分辨率是一个光键技术问题。光纤光栅位移应变传感器 n利用悬臂梁的位移应变传感器 n把光纤光栅简单的粘贴到矩形悬臂梁结构上，通过测量和悬臂梁不同点上应变的换

7、算得到实际的应变和位移的结果。直接光纤光栅位移应变传感器 图8-1 悬臂梁结构的光线光栅位移应变传感器n左侧为被测量的物体，该物体通过一个突出物作用于竖直放立的悬臂梁，而光纤布拉格光栅就是简单的直接粘贴在悬臂梁上，这样就可以通过悬臂梁把被测物体的位移转变为光纤光栅的应变。n张伟刚等人对该悬臂梁结构进行一些改进，实现了垂直方向的应力、位移等力学量的测量。其悬臂梁为矩形，在悬臂梁的自由端有一个直角三角形的约束架。悬臂梁由特殊的有机材料合成，设其长、宽、厚及杨氏模量分别为L，b，h，E，约束架固定于梁上的A、B之间；作用杆顶端与沿AB移动的滑块C相接，底端D为受力点，作用杆穿过可在横向导轨上移动的滑

8、块，该滑块约束作用杆作横向移动，其横向移动不大于梁上A，B两点之间的距离。n将长度为l，自由中心波长为 的光纤布拉格光栅刚性粘贴靠近悬臂梁固定端Q的上表面，其中心位置与固定端的距离为 。显然，当作用杆D受外力作用时，其运动受到约束架的限制。即横向力 使滑块沿横向导轨移动，导致作用杆产生横向位移，而作用杆顶端滑块C由A点沿约束架向B点滑动，迫使悬臂梁向下弯曲，使靠近悬臂梁固定端粘贴的FBG受到拉伸；纵向力 使作用杆通过滑块顶端C推动悬臂梁向上弯曲，使FBG受到压缩。利用光纤光栅实现垂直力学量测量的装置 图8-2 垂直力学测量装置示意图n除了对经常使用的悬臂梁进行分析外，余有龙等人还对已有的悬臂梁

9、提出了改进意见，使得改进后的基于悬臂梁结构的光纤光栅位移传感器受到温度的影响非常小，从而部分的解决了光纤光栅对温度和应变的交叉敏感的问题。n该悬臂梁为厚度呈阶跃分布的等腰三角状，界线AB与固定端相距a，与自由端Q距离为b。左、右两侧上表面共面，两侧厚度分别为 和 。一定长度的光栅沿轴向刚性粘贴于上表面AB附近，界线两侧光栅长度接近相等，用于保证测量过程中两侧光栅反射谱峰值接近相等。利用简支梁的光纤光栅位移传感器 传统简支梁结构的光纤光栅位移传感器 图8-3 几种非一般形态的简支梁结构的光纤光栅位移传感器 (a)层叠型；(b)菱面型；(c)同侧双力型1；(d)同侧双力型2光纤光栅振动与加速度传感

10、器 n在考虑了应变的时候加上时间这个参考量，就可以得到光纤光栅震动和加速度传感器了。许兆文等人提出了悬臂梁结构和匹配光纤光栅法，对振动进行了传感实验研究。n在左图中所示的光源为带有光隔离器的宽带光源，光隔离器的作用是避免反向光对光源的影响，两个耦合器的耦合比均为，光纤光栅FBG1为传感光栅，光纤光栅FBG2为检测匹配光栅。传感信号有信号源产生并通过一定的方式施加给传感光栅上。n而右图中所示为传感光纤光栅FBG1的悬臂梁结构。该装置的主体由一个弹性薄钢振片、步进装置和绕有线圈的电磁铁组成。传感光栅粘贴在振片上。当信号源给线圈加上交变信号时，电磁铁在交变电流作用下产生交变磁场。弹性薄钢振片在周期性

11、交变磁场作用下振动，弹片的振动引起光栅常数周期性变化，于是导致光栅峰值反射波长有规律的来回漂移，将振动信号耦合到传感光栅上。图8-4 匹配光纤光栅法的振动传感示意图 光纤光栅温度传感器光纤光栅温度传感器 n对裸光纤光栅封装制成的温度传感器 n裸光纤布拉格光栅测量温度的线性度比较好，但是灵敏度比较低，所以比较常用的一个改进方法就是将光纤光栅粘贴在温度灵敏度比较大的基底材料上。n一种比较常见的粘贴基地材料的结构如图所示的板式结构。图(a)所示为用环氧树脂胶将光纤光栅粘贴于单层的聚四氟乙烯上的结构，图(b)所示是将上下两层聚四氟乙烯作为夹板并用环氧树脂胶浆光纤光栅贴于之间的结构。这两个结构是由日本学

12、者Totu Mizunami,Hiroaki Tatehata 和Hideo Kawashima于2001年提出的。之后的板式结构多是在此基础上对基底材料进行的改进和更换。图8-5 板式结构的光纤光栅温度传感器 光纤光栅压力传感器光纤光栅压力传感器 n李燕等人于2000年设计了一种新的光纤光栅压力传感器，其结构如图所示。把光纤光栅两端固定在两个金属板上，上金属板可通过精密调节螺旋产生微小升降，并作为荷重台面。在光纤光栅伸长应变范围通过螺旋调节，使光纤光栅产生尽可能大地伸长，以保持测试有较大线形范围，同时在恒温条件下，确定压力传感头的测试零点。选择不同金属板材，或同种板材的不同厚度，可设计不同量

13、程范围。图8-6 光纤光栅压力传感器 光纤光栅水声传感器光纤光栅水声传感器 n水声传感器，简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。它作为反潜声呐的核心部件，在军事领域中有着重要的应用；在工业生产和民用领域，也有着广泛的用途，如用于海洋石油和天然气的勘探、地震波探测、水声物理研究以及海洋渔业等。n波长可调的窄带光源发出的光进入耦合器分成两束，一束经隔离器后进入光环行器，首先进入光纤布拉格光栅，反射回来的光再次进入光环行器，最后进入光探测器。由布拉格光栅特性可知，反射光的中心波长为n当传感光栅至于水中声场时，在水声压的作用下，光纤光栅轴向长度和纤芯折射率将发生相应变化，光纤光栅反射波中心波长发生偏移。偏移量为图8-7 光纤布拉格光栅水听器实验原理图 n反射光强中的交变分量与光纤布拉格光栅水听器周围的水声压成比例关系，当一个窄带的光信号作用在光电二极管上时，产生的光电流与光强成正比。通过检测光电二极管产生的光电流，其中的交变信号即可完全反映水听器所处声场的声压情况。