1、文库下载 免费文档下载http:/ 年第 15 卷第 4 期(总第 38 期)华北工学院测试技术学报.15No.42001Vol(SumNo.38)JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLOGY文章编号:100826374(2001)042214207 光纤光栅(FBG)传感技术及其应用张记龙,曾光宇(华北工学院电子信息工程系山西摘 要: 目的 和应力测试中的应用.结果与结论 ,具有广泛的应用前景.关键词: ;:A0 光纤可用做传递信息的光信道,也可用作传感器.光纤传感技术是 20 世纪 70 年代随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的、以光波为载体、光纤为媒质、感
2、知和传输外部测量信号的新型传感器.光纤之所以能用做传感器在于它的光束参数.诸如幅度、相位、波长、频率、偏振状态对温度、压力、电磁场、振动和位移等环境因素的敏感性.作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤,具有一系列独特的,其它媒质难以比拟的优点,光波不产生电磁干扰,也不怕电磁干扰,易为各种光电检测器接收,可方便地进行光电或电光转换,易与高度发展的现代电子装置和计算机相区配,光纤传感器的优点是不导电、重量轻、体积小、耐高温和电磁辐射、柔性好、硬腐蚀,这些优点使它适合于易燃、易爆、空间受限及强电磁干文库下载 免费文档下载http:/ http:/ 是多点多参数的应力和温度测试,可被应用于智
3、能材料和复合材料内部 收稿日期:2001211215作者简介:张记龙(1964-),男,副教授,博士.从事专业:测试技术.(总第 38 期)光纤光栅(FBG)传感技术及其应用(张记龙等)215 损伤中.本文首先简述光纤光栅传感器的原理,然后指出其一些典型应用,最后指出其应用中需要解决的问题.1 光纤光栅传感原理1,2,4光纤光栅(FBG)是利用掺杂光纤的光敏性,通过某种工艺方法(通常是向 Ge 磁芯光纤照射240nm 左右的紫外线)使外文库下载 免费文档下载http:/ 1 所示.图 1 光纤光栅示意图 Bragg240mm)只起反射 Bragg 波长光的 Bragg(布拉格)反射滤波片作用,
4、.因此,可作成温度、应力分布式传感器1.Bragg 波长与外界温度、压力变化成正比光纤光栅必须满足相位匹配条件(1)1-2=?= 为光栅周期;1,2 为耦合模的传播常数,前向传播为正,后向传播为负,? 为耦合模之间的传播常数差.根据 的长短不同,周期性的光纤光栅分为短周期和长周期的光纤光栅两类.对于短周期的光纤光栅,当广谱光波(宽带)在其中传播时,两个反向传播的芯模(导模)LP01 之间产生能量耦合,形成特定波长的 B 的反射波,对于前向传播的 LP01 模 1=0,对于后向传播的 LP01 模 1=-01,两耦合文库下载 免费文档下载http:/ 较图 2 光纤光栅中光波的传输特性大,将这种
5、光栅称为布喇格光栅(FBG2FiberBraggGrating),反射光的中心波长 .FBGB 称为特征波长,如图 2 所示的反射光波中心波长为:/ 反射光带宽(半峰值宽度)?B=B 反射率为 L22 n1(3)B式中 neff 为纤芯的有效折射率;L 为光栅长度;n;n1 为纤芯折射率;.由(2)式可知,FBG 的波长取决于光栅周期和反 FBG 中光波的传输特性如图 3 所示向耦合模的有效折射率 neff,任何引起两个量改变的物理过程都将引起 B 的变化,在外界Rmax=tanh216 华北工学院测试技术学报 2001 年第 4 期图 3 光纤光栅中光波的传输特性信号如温度、应力场的作用下,
6、光纤将产生轴向应变( 弹性形变)(光弹效应).由(2)微分得(4)?B=2?effneff?neff 为光纤弹光效应,?.B 便 FBG(),解调出波长变化?文库下载 免费文档下载http:/ FBG 中波长偏移的解调方法2,3,6波长调制的解调方法有:光谱分析法11、波长扫描法、光学滤波法、相干涉等.2.1 光谱分析法光谱分析法的基本原理是,将传感探头的输出光经光纤送至分光计分光,由 CCD 探测器检测不同波长的光强分布,一旦光波长偏移,光强分布即发生变动,计算机通过计算分析即可计算出相应的波长偏移量或它所对应的被测量.图 4 为光纤光栅作传感探头的光谱分析法示意图.图 4(a)为前向传输方
7、式,(b)为后向传输方式,参考光栅提供布拉格反射波长 .其特点是利用布拉格波长光波 FBG 反射后传输光谱中将失去该波长 B 的参考点成分而形成谱谷,用光谱分析仪测量的参考 FBG 及传感 FBG 光谱谷之间距(前向传输方式),或参考 FBG 谱谷与传感 FBG 反射光峰之间距,即为外界信号(被测量)引起的布拉格波长?= 光谱分析仪可以是单色仪,也可以是傅里叶变http:/ 换光谱仪等.B-B.L 光源;C 定向耦合器图 4 光谱分析检测法示意图(总第 38 期)光纤光栅(FBG)传感技术及其应用(张记龙等)217文库下载 免费文档下载http:/ 波长扫描法波长扫描法是一种极具前途的光波长调
8、制的解调方法,基本原理是用一波长与光纤光栅光谱接近、且谱宽小于布拉格反射光的谱线宽度的可调谐激光光源取代宽带光源,通过调谐激光的输出波长进行光谱扫描.由于 FBG 仅对满足(2)的单一波长进行反射,因此也只有当 =B时,后向布拉格反射光才在探测器上产生强输出,通过可调谐滤波器将窄带光源的中心波长锁定在该状态即可测知 当布拉格波长受外界信号调制偏移至?=B.B,光源 L 的波长也随之调至 =B.也可设置一个参数与传感 FBG 完全相同的参考 FBG,通过调谐参考光栅的布拉格反射波长追踪传感 FBG 的中心波长,出,则参考 FBG 值,如图 5Hz,测 L量分辨率较高.2.3 光学滤波法光源;D
9、光探测器;C 定向耦合器图 5 参考波长扫描法示意图光学滤波解调法的基本原理是,在光纤光栅的输出光路中安置滤光器,析出与被测量相应的波长偏移.(1)线性滤波法线性滤波法是一种适合于便携式的波长检测方法,其原理如图 6 所示.来自 FBG 的布拉格反射光经 3dB 耦合器 C2 分为两束,文库下载 免费文档下载http:/ M?N,其中一路光经光)的滤光谱透过率为线性函数 F(器后作为信号光 Is,为光电探测器 D1 接收;另一路作为参考光 Ir直接为控测器 D2 接收.)=A(-F(0)式中 A 线性滤光器的斜率;)=0)波长零输出(F(.0两路信号经放大后相除,输出为I=Is?Ir=A(ht
10、tp:/ (?)(5)FBG 的标称布拉格.FBG 的波长偏移图 7 可调谐 F-P 滤波法原理框图 L 光源;C定向耦合器;D 光探测器图 6 线性滤波法原理框图式中 B波长;?218 华北工学院测试技术学报 2001 年第 4 期线性滤波法的优点是消除了光源波动的影响,并与波长偏移量成线性关系,而且可做得体积小,轻巧灵便;缺点是测量分辨率不高.文库下载 免费文档下载http:/ F-P 滤波法可调谐光纤 F-P 滤波法的原理如图 7 所示.FBG 的布拉格反射光经 3dB 耦合器注入可调谐谐光纤 F-P 滤光器(FPF),矩齿波电压加在 FPF 上使其在光纤光栅特征波长附近扫描,FPF 过
11、零点输出的波长即为光纤光栅特征波长.可调谐 F-P 滤波法可以用于绝对测量和相对测量,也可用于动态和静态测量.2.4 非平衡 M-Z 干涉法,借此可检测相应的光波长.图 8Z.FBG 的拉格反射光经 3dB 耦合器 C2 注入非平衡 M-Z 光纤干涉仪,-Z 为)=2?(n?l?B(6)式中 n 为两臂光纤纤芯折射率;?l 为两臂光纤长度差;B光源;D 光探测器;A 差放 L 为 FBG 的特征波长.图 8 非平衡 M-Z 光纤干涉仪示意图 M-Z 干涉仪两路信号经差分放大为)=2aV0cos(2V3=2aV0cos?(n?l?B)当 FBG 受外界信号调制时,其特征波长 .微分式(7)得 B
12、 变为,产生波长偏移文库下载 免费文档下载http:/ M-Z 干涉法仅适合于相对测量,而不能用于绝对测量.由于非平衡M-Z 干涉仪受环境干扰大,如果不采取特殊措施,只能用于大于 100Hz 的动态测量.为了抵消噪声造成的低频相位偏移,可在干涉仪的一臂中加入 PZT 调制器.3 波域分布式光纤传感原理由于光纤光栅技术 http:/ 的发展,波域分布式光纤传感系统得到长足的发展,尤其在应力场测试方面得到越来越多的应用.波域分布式光纤光栅传感系统如图 9 所示.在一根传感光纤上制作许多个布拉格光栅,每个光栅的工作波长相互分开,经3dB 耦合器取出反射光后,用波图 9 波域分布式光纤光栅传感系统示意
13、图长探测解调系统测出每个光栅的波长或波长偏移,从而检测出相应被测量的大小和空间分布.可以用光纤延迟技术,将许(总第 38 期)光纤光栅(FBG)传感技术及其应用(张记龙等)219 多个相同的小波域分布组合在一起,组成波域?时域分布式光纤传感系统,还可以采取空分、波分等其他复用技术,组成混合式光纤分布式传感系统.4 FBG 传感器在光纤传感领域中的典型应用文库下载 免费文档下载http:/ 单参量测量7,9,12图 10 表示采用光纤光栅测量压力及应变的典型传感器结构.图中采用一宽带发光二极管作为系统光源,利用光谱分析仪进行布拉格波长漂 1;2 光纤;5 光探测器移检测,图构.4.2 双参量测量
14、6,7,12,对温度变化也有相当的敏感性,这意味着在使用.为了解决这一问题,人们提出了许多采用多波长,分别采用 850nm 及 1300nm 两只光栅得到两个不同系数的双参量传感方程,由此求解得出双参量结果.最近,随着长周期光纤光栅的发展,利用长周期光栅与普通光栅传感灵敏度系数不同的特点,人们也建立了多个有着更高稳定性的双参量传感系统,从而使基于光纤光栅的双参量传感应用更加接近实用.图 11 分布式光纤传感网2204.3 分布式多点测量1华北工学院测试技术学报 2001 年第 4 期将光纤光栅用于传感的另一个优点是便于构成分布式传感网络,可以在大范围内对多点同时进行测量.图 11 示出了两个典
15、型的基于光纤光栅的准分布传感网络,可以看出其重点在于如何实现多光栅反射信号的http:/ 检测.图 11(a)中采用参考光栅匹配方法,(b)中采用可调 F-P 腔,虽然方法各异,但均解决了分布测量的核心问题,文库下载 免费文档下载http:/ 廖延虎.I 光纤光学M.北京:,2 王惠文.光纤传感技术及应用M.北京:.78.3 杨建良.J.,1998,(2):1315.4 金国藩,.:科学出版社,624.5 涂亚庆.M.重庆:重庆出版社.6 关柏鸥.J.中国激光,2001,(4):373377.7 余有龙,刘治国,董孝义等.基于悬臂梁的光纤光栅线性调谐J.光学学报,1999,19(5):1732
16、1733.8 林钧轴,彭伟.光纤布拉格光栅及其应用J.光学技术,1999,(2):5153.9 余有龙.光纤光栅电流传感器J.光学学报,2001,2(5).10 刘云启等.光纤光栅传感器的调谐波波检测技术J.光学学报,2001,2(1):8892.11 刘志国.新型光纤光栅线性调谐方法J.光学学报,1998,18(12):620623.12 董新永.郸光纤光栅实现对位移和温度的同时测量J.中国激光,2001,28(7):623624.13 张传刚.基于弹性梁的光纤光栅波长调谐原理及技术J.半导体光电,2001,22(5):299303.文库下载 免费文档下载http:/ 杨家德.光学纤维技术在
17、军事中的应用M.北京:科学技术文献出版社,1998.TechniqueandUtilityofIn-fiberGratingSensorsZHANGJi2long,ZHENGuang2yu(Dept.ofElectronicEngineeringandInformationScience,NorthChinaInstitute:/ Tosummarytheutilityandprincipleofin2fibergratingsensors.Methods Toanalystheuseofin2fibergratingsensorinmeasurmentof.ResultsandConclusion Theutilityofin2fibergratingtempratureandstresssensorsisstilldevelopingcontinuouslyandshowsagoodprospect.Keywords:in2fibergrating;sensor;principle;utility文库下载网是专业的免费文档搜索与下载网站，提供行业资料，考试资料，教学课件，学术论文，技术资料，研究报告，工作范文，资格考试，word 文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文库下载 免费文档下载http:/ http:/
