光柵傳感器：光纖布拉格光柵傳感器的特點以及工作原理解析 第1張" title="布拉格光柵傳感器：光纖布拉格光柵傳感器的特點以及工作原理解析 第1張-傳感器知識網(wǎng)"/>
布拉格光柵傳感器：光纖布拉格光柵傳感器的特點以及工作原理解析
近幾十年以來，電氣傳感器一直作為測量物理與機械現(xiàn)象的標準設(shè)備發(fā)揮著它的作用。盡管它們在測試測量中無處不在，但作為電氣化的設(shè)備，他們有著與生俱來的缺陷，例如信號傳輸過程中的損耗，容易受電磁噪聲的干擾等等。這些缺陷會造成在一些特殊的應(yīng)用場合中，電氣傳感器的使用變得相當具有挑戰(zhàn)性，甚至完全不適用。光纖光學(xué)傳感器就是針對這些應(yīng)用挑戰(zhàn)極好的解決方法，使用光束代替電流，而使用標準光纖代替銅線作為傳輸介質(zhì)。
在過去的二十年中，光電子學(xué)的發(fā)展以及光纖通信行業(yè)中大量的革新極大地降低了光學(xué)器件的價格，提高了質(zhì)量。通過調(diào)整光學(xué)器件行業(yè)的經(jīng)濟規(guī)模，光纖傳感器和光纖儀器已經(jīng)從實驗室試驗研究階段擴展到了現(xiàn)場實際應(yīng)用場合，比如建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用等。
光纖傳感器簡介
從基本原理來看，光纖傳感器會根據(jù)所測試的外部環(huán)境參數(shù)的變化來改變其傳播的光波的一個或幾個屬性，比如強度、相位、偏振狀態(tài)以及頻率等。非固有型 （混合型） 光纖傳感器僅僅將光纖作為光波在設(shè)備與傳感元件之間的傳輸介質(zhì)，而固有型光纖傳感器則將光纖本身作為傳感元件使用。
光纖傳感技術(shù)的核心是光纖–一條纖細的玻璃線，光波能夠在其中心進行傳播。光纖主要由三個部分組成：纖芯（core），包層（cladding）和保護層（buffer coating）。其中包層能夠?qū)⒗w芯發(fā)出的雜散光波反射回纖芯中，以保證光波在纖芯中具有最低的傳輸損耗。這個功能的實現(xiàn)原理是纖芯的光折射率比包層的折射率高，這樣光波從纖芯傳播到包層的時候會發(fā)生全內(nèi)反射。最外面的保護層提供保護作用，避免外界環(huán)境或外力對光纖造成損壞。而且可以根據(jù)需要要強度和保護程序的不同，使用多層保護層。
圖1. 典型光纖的橫截面圖
光纖布拉格光柵（FBS）傳感器
光纖布拉格光柵傳感器是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會根據(jù)其被照射的光波強度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。
當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，如下面的方程 （1） 中所示。這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波，而其它波長的光波都會被傳播。
在方程 （1）中，λb 是布拉格波長，n 是光纖纖芯的有效折射率，而 Λ 是光柵之間的間隔長度，稱為光柵周期。
圖2. 光纖布拉格光柵傳感器的工作原理
因為布拉格波長是光柵之間的間隔長度的函數(shù)（方程 （1） 中的Λ），所以光纖布拉格光柵可以被生產(chǎn)為具有不同的布拉格波長，這樣就能夠使用不同的光纖布拉格光柵來反射特定波長的光波。
圖3. 光纖布拉格光柵透視圖
應(yīng)變以及溫度的改變會同時影響光纖布拉格光柵有效的光折射率 n 以及光柵周期Λ ，造成的結(jié)果就是光柵反射光波波長的改變。光纖布拉格光柵反射波長隨應(yīng)變和溫度的變化可以近似地用方程 （2） 中的關(guān)系來表示：
其中 Δλ 是反射波長的變化而 λo 為初始的反射波長。
右邊加號前的第一個表示式表示的是應(yīng)變的變化對反射波長的影響。其中 pe 是應(yīng)變光學(xué)靈敏系數(shù)，而 ε 是光柵所受到應(yīng)變影響。加號后面的第二個表達式表示的是溫度的變化對波長造成的影響。其中 αΛ 是熱膨脹系數(shù)而 αn 是溫度光學(xué)靈敏系數(shù)。αn 體現(xiàn)了光折射率因為溫度變化造成的影響而 αΛ 體現(xiàn)了同樣的溫度變化造成的光柵周期的改變。
正因為光纖布拉格光柵會同時受到應(yīng)變和溫度變化的影響，所以在計算反射波長變化的時候既要同時考慮這兩種因素，又要分別對其進行分析。當進行溫度測量的時候，光纖布拉格光柵必須保持在完全不受應(yīng)變影響的條件下。你可以使用為此專門進行封裝的FBG溫度傳感器，這種傳感器能保證封裝內(nèi)部光纖布拉格光柵的屬性不會耦合于任何外部的彎曲，拉伸，擠壓或扭曲應(yīng)變。在這種情況下，玻璃的熱膨脹系數(shù) αΛ 通常在實用中是可以忽略的;所以，因溫度變化而造成的反射波長的改變就可以主要由該光纖的溫度光學(xué)靈敏系數(shù) αn 來決定了。
光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器在某種程序上講就更加復(fù)雜了，因為溫度和應(yīng)變會同時影響傳感器的反射波長。為了正確地進行的測量，在測試的時候，必須針對溫度對光纖布拉格光柵造成的影響進行補償。為了實現(xiàn)這種補償，可以使用一個與FBG應(yīng)變傳感器有良好熱接觸的FBG溫度傳感器來完成。得到測試結(jié)果以后，只需要簡單地從FBG應(yīng)變傳感器測得的波長改變中減去由FBG溫度傳感器測得的波長改變就可以從方程 （2） 中消去加號右邊的第二個表達式，這樣做就補償了應(yīng)變測試中溫度變化造成的影響了。
安裝光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器的過程和安裝傳統(tǒng)的電氣應(yīng)變傳感器的過程類似，而且FBG應(yīng)變傳感器有許多種不同的種類和安裝方法可供選擇，包含環(huán)氧樹脂型，可焊接型， 螺栓固定型和嵌入式型。
探詢方法
由于光纖布拉格光柵可以被植入不同的特定反射波長，所以可以利用它來實現(xiàn)良好的波分復(fù)用 （WDM） 技術(shù)。這個特性使得可以在一條長距離的獨立光纖上，以菊花鏈的形式連接多個不同的擁有特定布拉格波長的傳感器。波分復(fù)用技術(shù)在可用的光學(xué)廣譜中為每一個FBG傳感器分配了一個特定的波長范圍供其使用。由于光纖布拉格光柵固有的波長特性，就算在傳輸過程中由于光纖介質(zhì)的彎曲和傳輸造成了光強的損耗和衰減，傳感器測得的結(jié)果也仍然能夠保持準確。
每一個獨立的光纖布拉格光柵傳感器的工作波長范圍和波長探詢器可探詢的總波長范圍決定了在一條單獨的光纖上可以掛接的傳感器的數(shù)量。一般來說，因為應(yīng)變改變造成的波長改變會比溫度改變造成的波長改變更加明顯，所以一般會為FBG應(yīng)變傳感器分配大概5納米的工作波長范圍，而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長范圍。又因為通常的波長探詢器能提供的測試范圍大概為60到80納米，所以一條光纖上掛接的傳感器數(shù)量一般可以從1個到80個不等 – 當然，這要建立在各個傳感器反射波長的區(qū)域在光譜范圍內(nèi)不會有重疊 （圖 4） 的基礎(chǔ)上的。因此，在選擇FBG傳感器的時候，需要仔細地選擇標稱波長以及工作波長范圍來保證每一個傳感器都有其獨立的工作波長區(qū)域。
圖4. 同一條光纖上掛接的每一個FBG傳感器必須具有其獨立的工作波長范圍
一般的FBG傳感器會擁有幾個納米的工作波長范圍，所以光學(xué)探詢器必須能夠完成分辨率為幾個皮米甚至更小的測量 – 一個相當小的量級。探詢FBG光柵傳感器可以有幾種方法。干涉計是通常運用的實驗室設(shè)備，它可以提供相當高分辨率的光譜分析。但是，這些儀器一般來說非常昂貴，體積龐大并且不夠堅固，所以在一些涉及各種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測的應(yīng)用中，如風(fēng)機葉片，橋梁，水管以及大壩等環(huán)境的監(jiān)測中，這些儀器都不適用。
一種更加堅固的方法是引入了電荷耦合器件 （charge-coupled device - CCD） 以及固定的分散性單元，一般是指波長位置轉(zhuǎn)換。
在這種方法中，會用一個廣譜的光源照射FBG傳感器 （或者一系列FBG傳感器）。這些反射光束會通過一個分散性單元，分散性單元會將波長不同的反射光束分別分配到電荷耦合器件（CCD）表面不同的位置上去。如下圖5所示。
圖5. 使用波長位置轉(zhuǎn)換法探詢FBG光學(xué)傳感器
這種方法可以快速并且同時地對掛接在光纖上的所有FBG傳感器進行測量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比 （SNR）。舉例來說，如果我們希望在80納米的波長范圍中實現(xiàn)1皮米的分辨率，那么我們需要一個包含80，000個像素點的線性CCD器件，這個像素指標已經(jīng)比目前在市面上能夠找到的最好的線性CCD器件 （截至2010年7月） 的指標高出了10倍以上。另外，因為廣譜光源的能量是被分散到一個很廣的波長范圍中，所以FBG反射光束的能量會非常小，有時候甚至?xí)o測量帶來困難。
目前最流行的方法是利用一個可調(diào)法珀濾波器來創(chuàng)造一束具有高能量，并且能夠快速掃頻的激光源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的廣譜的光源。可調(diào)的激光源將能量集中在一個很窄的波長范圍里面，提供了一個具有很高信噪比的高能量的光源。這種體系結(jié)構(gòu)提供的高光學(xué)功率讓使用一條光纖掛載多個光學(xué)通道成為可能，這樣就能有效地減少多通道探詢器的成本并且降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。基于這種可調(diào)激光架構(gòu)的探詢器可以在一個相對大的波長范圍里面以很窄的光譜帶進行掃描，另一方面，一臺光探測器將與這個掃描同步，測量從FBG傳感器反射回來的激光束。當可調(diào)激光器發(fā)射的激光波長與FBG傳感器的布拉格波長吻合的時候，光探測器就能測量到相應(yīng)的響應(yīng)。該響應(yīng)發(fā)生的時候可調(diào)激光的波長就對應(yīng)了此時FBG傳感器處測得的溫度以及/或者應(yīng)變，如圖 6所示。
圖6. 用可調(diào)激光源法探詢FBG光學(xué)傳感器
使用這種方法進行探詢可以達到大概1皮米的精度，對應(yīng)到傳統(tǒng)FBG傳感器的精度即是約1.2微應(yīng)變（FBG應(yīng)變傳感器）或約0.1攝氏度（FBG溫度傳感器）。因為可調(diào)激光源法相對于其它的方法來說具有很高的光學(xué)功率，所以這種探詢法還可以適用于光纖長度更大 （超過10千米） 的測量應(yīng)用中。
FBG光學(xué)傳感器的優(yōu)勢
通過使用光波代替電流以及使用標準光纖代替銅線作為傳輸介質(zhì)，F(xiàn)BG光學(xué)傳感解決了許多使用電氣傳感需要面臨的挑戰(zhàn)和解決的困難。光纖和FBG光學(xué)傳感器都是絕緣體，具有被動性電學(xué)特性，并且不受電磁感應(yīng)噪聲的影響。具有高光學(xué)功率可調(diào)激光源的探詢器可以以很低的數(shù)據(jù)丟失率甚至是零丟失來完成長距離的測量。同時，與電氣傳感器系統(tǒng)不同，一個光學(xué)通道可以同時完成多個FBG傳感器的測試，極大地減小了測試系統(tǒng)的體積，重量以及復(fù)雜度。
在一些外部環(huán)境條件惡劣的應(yīng)用現(xiàn)場中，一些常用的電氣傳感器，例如箔應(yīng)變片，熱電偶，以及振弦式傳感器已經(jīng)很難使用甚至已經(jīng)失效的情況下，光學(xué)傳感器是一個非常理想的解決辦法。因為光學(xué)傳感器的用途以及安裝方法和這些傳統(tǒng)的電氣傳感器類似，所以從電氣測試方案過渡到光學(xué)測試方案會相對簡單。如果能夠?qū)饫w和FBG的工作原理有一個比較好的了解，那將幫助你更好地接受光學(xué)測試技術(shù)并駕馭這種新技術(shù)所帶來的所有優(yōu)勢。
布拉格光柵傳感器：布拉格光柵傳感器_光纖應(yīng)變片_光纖傳感器_工作原理
原標題：布拉格光柵傳感器_光纖應(yīng)變片_光纖傳感器_工作原理
光纖應(yīng)變片 (也稱為布拉格光柵傳感器)，用于測量應(yīng)變，但可以集成不同類型的傳感器到一根光纖中，例如溫度，加速度或移位等。與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片相比，光學(xué)應(yīng)變片不需要供電，該技術(shù)基于通過光纖傳播的光。
因此，傳感器是完全被動和免疫的，例如電磁干擾。這也是在某些應(yīng)用中光學(xué)應(yīng)變片優(yōu)于電阻應(yīng)變片的原因。
結(jié)構(gòu)
光學(xué)應(yīng)變片由二氧化硅芯和包層組成。
在本文中，我們將重點介紹光纖應(yīng)變傳感器，其中光纖本身是傳感器。其他類型的光纖傳感器使用光纖本身傳輸光，而不是用它來測量。
它像普通的電信光纖一樣長，可以長達幾公里，有許多測量點。纖維本身由兩層組成：纖芯和密度較低的包層。塑料涂層纏繞在二氧化硅纖維上以進行保護。
工作原理
光纖作為傳感器
為了制造實際的應(yīng)變傳感器，光纖在生產(chǎn)過程中用所謂的光纖布拉格光柵(FBG)進行內(nèi)接。這基本上是材料干擾的一種模式，反射出與光纖的其余部分不同的光線。為了更好地理解，您可以將光纖視為圓柱形透明材料，其中有許多薄片。當來自激光的光線照射該薄片時，某些波長被反射，而其它波長則通過。
材料干擾 - “切片” 以一定的間隔放置。當光纖被拉伸或壓縮時，因此受到正或負應(yīng)變 - 這些間隔發(fā)生變化。當光纖被拉伸時，它變長，空間變大，反之亦然。
當光纖布拉格光柵處于應(yīng)變狀態(tài)時，反射光回傳需要更長或更短的時間來回傳，反射的波長也會發(fā)生變化。光纖布拉格光柵具有一定的折射率。材料的折射率描述了通過材料時彎曲或折射多少光。當光柵由于應(yīng)變而改變形狀時，其折射率也將產(chǎn)生改變。
整個光纖布拉格光柵總體約為5毫米，盡管用肉眼看不到單獨的材料干擾。在顯微鏡下，許多光纖布拉格光柵可以刻錄在一根長的光纖中，每個光柵作為單個應(yīng)變傳感器工作。
當光纖被施加到材料時，它將與材料一起產(chǎn)生變形。測量的應(yīng)變用于允許分析材料中的機械應(yīng)力。
為了給出實際的例子，當將光纖施加到隧道壁上時，當隧道壁材料中存在應(yīng)力時，其將使光纖產(chǎn)生應(yīng)變，這可能是由于列車沖擊的振動或是多年來產(chǎn)生的墻壁沉降或裂縫，從相關(guān)的應(yīng)變的信息確定是否需要進行維護。
光纖解調(diào)儀
對于測量，光纖需要連接到所謂的光纖解調(diào)器; 它能夠連續(xù)發(fā)出不同波長的光，一次一個， 這被稱為“掃描激光”。 光傳播通過光纖，在某點由布拉格光柵反射，并返回解調(diào)器。
由于布拉格光柵具有不同周期，因此可以區(qū)分不同傳感器的信號。 其余光線到達光纖末端時會折射，因此不影響測量。 從光柵返回的原始光信號可以推導(dǎo)出實際應(yīng)變，獲得材料應(yīng)力。
.那么，為什么核心和包層之間的密度差是非常重要的呢? 激光用于通過光纖發(fā)光， 兩種不同的纖維材料密度產(chǎn)生通道光纖內(nèi)部的光，從而不散射光柵。 為了能進行工作，重要的是光纖沒有太多彎曲。
溫度補償是關(guān)鍵
布拉格光柵傳感器極易受溫度影響。隨著溫度的升高，光纖隨著溫度的升高而膨脹。折射率也發(fā)生變化。沒有補償，這將導(dǎo)致獲得的應(yīng)力包括溫度產(chǎn)生的應(yīng)變。有以下幾種補償技術(shù)，包括：
應(yīng)變傳感器邊上安裝溫度傳感器，從測量數(shù)據(jù)中減去溫度效應(yīng)來進行數(shù)學(xué)補償。
將兩個光纖布拉格光柵放置在推挽式結(jié)構(gòu)中，使得當處于應(yīng)變狀態(tài)時，一個被壓縮，另一個被拉伸。溫度效應(yīng)對于兩者都是相同的(例如延長)，但是機械應(yīng)力的影響是不同的：這樣就可以對溫度進行數(shù)學(xué)補償。
將光纖包封在機械設(shè)備中，該材料在被測材料的相反方向上膨脹，以消除溫度效應(yīng)，并且不需要數(shù)學(xué)補償。
光纖傳感器應(yīng)用
“作為 法國 ITER 項目 的一部分, 我們的傳感器需要適應(yīng)劇烈的溫度變化，從大約 -270°C 到 300°C，并且處在強烈的電磁場中。在這種應(yīng)用中，電阻應(yīng)變片幾乎無法正常工作。“ Cristina Barbosa 解釋道。
橋梁，風(fēng)力發(fā)電機和隧道等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用中，由于單個光纖可以容納數(shù)百個傳感器，尤其是隧道或管道監(jiān)測等大型項目中，其與傳統(tǒng)的應(yīng)變片相比，布線和安裝成本更低。
此外，由于光纖技術(shù)天生的抗電磁干擾性，光學(xué)測量技術(shù)可以用于存在大量電磁干擾或可能爆炸的環(huán)境(如煉油廠)中。
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布拉格光柵傳感器：布拉格光柵技術(shù) ｜ 常見問題 ｜ HBM
什么事溫度補償，如何工作?布拉格光柵（FBG）應(yīng)變依賴性
布拉格光柵的應(yīng)變依賴性由下式給出：
這里:
k– 布拉格光柵的 k 系數(shù)
布拉格光柵（FBG）溫度依賴性
布拉格光柵的溫度依賴性由下式給出：
這里:
– 光纖的熱膨脹系數(shù)
ζ – 熱光系數(shù)（折射率對溫度的依賴性）
固定布拉格光柵（FBG）的溫度依賴性
如果光纖應(yīng)變儀被固定到剛性無應(yīng)變結(jié)構(gòu)，溫度可以改變光纖的折射率，但是其膨脹由結(jié)構(gòu)固定。這等同于考慮固定光纖的熱膨脹=0。光纖布拉格光柵測量應(yīng)變的溫度依賴性為：
當測量應(yīng)變時，該溫度引起的波長變化與應(yīng)變混淆。實際由溫度引起的測量應(yīng)變?yōu)椋?br/>因此，對溫度的交叉敏感性（TCS）由下式給出：
有效應(yīng)變應(yīng)該由應(yīng)變傳感器測量的應(yīng)變減去溫度的影響：
這種變形的校正沒有考慮溫度對固定傳感器結(jié)構(gòu)變形的影響。
固定在結(jié)構(gòu)上的布拉格光柵（FBG）的溫度依賴性
為了補償由于溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)的變形，計算應(yīng)當考慮結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)（CTE）來進行。
結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變變化為：
固定到承受負載和溫度的結(jié)構(gòu)的傳感器的波長變化由下式給出：
這意味著為了補償由于溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)的變形，有必要知道傳感器固定在其上的結(jié)構(gòu)的材料的CTE值。
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布拉格光纖光柵傳感器
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本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目
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。
布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一樣,與傳統(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的優(yōu)點,如:不受電磁干擾,重量輕,體積小,不受腐蝕等。
中文名
布拉格光纖光柵傳感器
外文名
fiberBragg grating sensor
目錄
1
1 布拉格光纖光柵傳感器的特點
2
2 布拉格光纖光柵傳感研究進展
3
3 布拉格光纖光柵傳感器應(yīng)變溫度分辨
4
4 布拉格光纖光柵傳感器的封裝埋設(shè)技術(shù)
布拉格光纖光柵傳感器1 布拉格光纖光柵傳感器的特點
語音
1978年加拿大握太華通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性,并采用駐波法制成世界上第一只光纖光柵。但是由于這種刻寫方法的效率很低且靈活性差,在光纖光敏性被發(fā)現(xiàn)后的十年內(nèi)未引起很大的注意。直到1989年,美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的GMetlz等人利用高強度的紫外激光所形成的干涉條紋對光纖進行側(cè)面橫向曝光來產(chǎn)生光纖纖芯中的折射率調(diào)制,即形成光纖光柵。這種刻寫方法效率高,且靈活性好,可以刻寫不同周期的光纖光柵。橫向?qū)懭敕ǖ陌l(fā)明使光纖光柵技術(shù)取得了突破性的進展,此后的十多年里,光纖光柵一直是光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點之一。
[1]
布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一樣,與傳統(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的優(yōu)點,如:不受電磁干擾,重量輕,體積小,不受腐蝕等。且由于它是波長編碼的,使得它與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比,又有許多優(yōu)點,如:精度不受光源強度影響,受環(huán)境影響小,更加容易復(fù)用和實現(xiàn)分布式傳感等。利用光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)復(fù)用能力強,重量輕,體積小等優(yōu)點,埋入監(jiān)測材料中可以方便地實現(xiàn)準分布式測量,因而是最有希望的智能傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
[1]
光纖光柵傳感器的應(yīng)用范圍非常廣,民用工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器應(yīng)用的一個熱點,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行實時安全的溫度及應(yīng)變監(jiān)測。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、高層建筑和運動場館的維護是至關(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,也可以在澆筑的時候埋入結(jié)構(gòu)中對結(jié)構(gòu)進行實時測量,監(jiān)視結(jié)構(gòu)缺陷的形成和生長。另外,多個光纖光柵傳感器可以串接成一個網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)進行準分布式檢測,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。
[1]
航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的地方,一架飛行器為了監(jiān)測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態(tài)、機翼和方向舵的位置等,所需要使用的傳感器超過100個,因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖光柵傳感器具有體積小,重量輕,靈敏度高等優(yōu)點,將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中,組成準分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò),可以對飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機械性能及外部環(huán)境進行實時監(jiān)測。
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布拉格光纖光柵傳感器能夠為現(xiàn)代船舶的操作提供瞬時的和豐富的傳感信息,進而通過提供船舶操作人員所需要的早期危險報警和損傷評估來保證船舶的安全。現(xiàn)代船用傳感器中多達90%是壓力或溫度傳感器,通過選擇適當?shù)姆庋b和襯底材料可以將光纖光柵應(yīng)變傳感器轉(zhuǎn)變成溫度和壓力傳感器,利用波分和時分復(fù)用原理,一個探測系統(tǒng)的光纖光柵傳感器數(shù)量可以多達數(shù)萬個,從而適應(yīng)不斷增加的艦載控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,并有效的降低傳感系統(tǒng)的成本。電力工業(yè)中的設(shè)備大都處在強電磁場中,一般電學(xué)傳感器無法使用。很多情況下需要測量的地方處在高壓中,如高壓開關(guān)的在線監(jiān)測,高壓變壓器繞組、發(fā)電機定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實時測量,這些地方的測量需要傳感器具有很好的絕緣性能、體積要小、而且是無源器件,光纖光柵傳感器是進行這些測量的最佳選擇。有一些電力設(shè)備經(jīng)常位于難以到達的地方,如荒山野嶺、沙漠荒原中的傳輸電纜和中繼變電站,使用準分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的遙測能力可以極大地減少設(shè)備維護費用。因此光纖光柵傳感器在電力工業(yè)中的應(yīng)用前景很好。
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小尺寸的傳感器在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的,光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的光纖傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內(nèi)部測量,提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的損害非常之小,足以避免對正常醫(yī)療過程的干擾。核工業(yè)存在高輻射,核泄漏對人類是一個極大的威脅,因此對于核電站的安全檢測是非常重要的。由于核裝置的老化,需要更多的維護和修理,最終必須被拆除,所有這些都不能在設(shè)計時預(yù)見,因此需要更多的傳感器以便遙控設(shè)備,處理不確定情況。同時核廢料的管理也變得越來越重要,需要有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視核廢料站的狀況,對監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定的要求也是前所未有的,而光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)可以滿足這些要求。
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除了以上應(yīng)用外,光纖光柵傳感器在其他方面也有許多應(yīng)用,例如:(1)加速度計可用于很多工程的測量,如振動、入射角、事件記錄、平臺穩(wěn)定性、車輛暫停控制、地震監(jiān)測、以及起搏器控制等,用光纖光柵傳感器制作的加速度計表現(xiàn)出良好的性能。(2)用光纖光柵制作的水聲器用來測量水下聲場,可以實現(xiàn)很好線性響應(yīng)、高靈敏度、高穩(wěn)定性、寬的動態(tài)范圍(90dB)和寬的操作頻率范圍(從凡kHz到凡MH)z。(3)用光纖光柵制作的機械工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測傳感器,可以探測到實用結(jié)構(gòu)微米量級的形變,其誤差為0.4%。
布拉格光纖光柵傳感器2 布拉格光纖光柵傳感研究進展
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由于布拉格光纖光柵傳感器具有以上許多不可替代的優(yōu)點以及廣泛的應(yīng)用前景,自從橫向紫外曝光刻寫技術(shù)面世以來,布拉格光纖光柵傳感器得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,在短短的十凡年內(nèi)得到了飛速發(fā)展,針對布拉格光纖光柵智能傳感網(wǎng)絡(luò)的實用化研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了一些進展，這主要集中在以下幾個方面:布拉格光纖光柵傳感器的波長解調(diào)技術(shù)光纖光柵傳感器經(jīng)過十余年的研究與發(fā)展，至今己經(jīng)出現(xiàn)了許多波長解調(diào)技術(shù)。在實驗室，波長解調(diào)可以用高精度的光譜儀來實現(xiàn)，但是由于光譜儀的價格昂貴，而且體積大，不適于實際應(yīng)用，所以需要結(jié)構(gòu)緊湊，成本低的解調(diào)系統(tǒng)。具體解決方案主要包括寬帶光濾波法可調(diào)諧窄帶濾波器法，光干涉法，激光器掃描法。成像光譜分析法等。這些方法有著不同的分辨率和動態(tài)范圍，針對不同的應(yīng)用選擇相應(yīng)的解調(diào)方案，可以很好的適用于各種實際應(yīng)用。
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1)寬帶光濾波法該方法通過寬帶光源發(fā)出的寬帶光:經(jīng)隔離器，3DB鍋合器后，到傳感光柵反射濾波，反射回窄帶光，再經(jīng)過寬帶濾波器(WDM禍合器)，由于寬帶濾波器的濾波特性與波卜轟有關(guān)，則反射光經(jīng)濾波后探測到的能量與波長有關(guān)，再通過相應(yīng)的電子信號處理就能檢測出FBG中心波長的偏移量。這種方案實現(xiàn)簡單，但是精度比較低，波長分辨率大概10pm左右。2)可調(diào)諧窄帶濾波器法該方法中，由LED發(fā)出的寬帶光，經(jīng)禍合器到達FBG傳感器陣列，到達FBG反射回來的窄帶光再經(jīng)可調(diào)諧F-P濾波器濾波，當傳感FBG的中心波長與F-P濾波器透射中心彼長一致時，透射光能量最大，通過動態(tài)調(diào)諧F-P濾波器的透射波長來動態(tài)“跟蹤7T傳感光柵的中心波長，就可以實現(xiàn)中心波長偏移量的解調(diào)。這種解調(diào)方案精度較高，由于工作在波長掃描方式，那么只要掃描范圍足夠大，就很容易在一根光纖上復(fù)用多個FBG，但這種方案的掃描頻率不是很高，不適合高速率的動態(tài)傳感。3)光干涉檢測法該方法檢測光纖光柵傳感器波長移動是通過一非平衡光纖Mach一Zehnder干涉儀來實現(xiàn)的。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過禍合器入射到傳感FBG上，被FBG反射的光再通過藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉儀。這樣，被FBG反射的這部分光就有效地轉(zhuǎn)化為干涉儀的入射光源，由傳感光纖光柵擾動引入的波長移動也就成為此光源的波長(光頻率)調(diào)制信號。由于干涉儀輸出的相位對非平衡千涉儀的輸入波長存在著固有的依賴關(guān)系，布拉格彼長的移動就轉(zhuǎn)換為相位的變化，再通過檢a}n}干涉儀輸出光的相位的變化就可以得到布拉格波長的移動情況。
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4)可調(diào)諧掃描激光器法可調(diào)諧掃描激光器法主要是通過可調(diào)諧激光器的波長可調(diào)諧性來動態(tài)跟蹤傳感FBG的中心波長。5)CCD成像光譜分析法在CCD成像光譜解調(diào)系統(tǒng)中，波長分到提通過個色散元件叻口棱鏡或光柵)來實現(xiàn)的，色散元件把波長轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD探測器陣列的像元位置，這樣就把測量光譜線的問題轉(zhuǎn)化為判斷光斑所在像元的問題。通常由于FBG的光譜中心分布在幾個相令巧的像元上，所以要準確檢測中心波長的位置，還必須采用相應(yīng)的算法來實現(xiàn)。CCD成像光譜法有才民大的局限性，即實用的CCD波長響應(yīng)范圍在900nm以下，所以只能對中心波長在900nm以下的光柵傳感器解調(diào)。
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布拉格光纖光柵傳感器3 布拉格光纖光柵傳感器應(yīng)變溫度分辨
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由于布拉格光纖光柵的中心波長同時受到溫度和應(yīng)變的影響，所以傳感具體參量的時候必須通過相應(yīng)的方法把這兩個效應(yīng)區(qū)分開。布拉格光纖光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度如表經(jīng)過研究,已經(jīng)提出了許多方案來實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時檢測,主要包括以下方法:(1)參考FBG法這種方法的原理是引入一個參考FGB,使其不受應(yīng)變影響而只受溫度影響,同時這個參考FGB和傳感FGB處于相同的環(huán)境,這樣就可以通過這個參考FGB來檢測出溫度,再從傳感FGB總的波長偏移量中除去參考FGB的溫度影響,就可以把溫度和應(yīng)變區(qū)分開。(2)蝕刻FBG法這種方法通過蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關(guān)系,這樣當對其軸向施加均勻應(yīng)力時,沿軸向的應(yīng)變也是呈線性關(guān)系,這樣就導(dǎo)致了惆啾,即反射帶寬的變化,而溫度對其影響只是使其中心波長偏移,而不改變帶寬,也就是帶寬是溫度不敏感的,通過檢測帶寬的變化就可以把溫度效應(yīng)導(dǎo)致的誤差除去。但是這種方法的缺點是減小了光纖的強度,也即減小了傳感的范圍。(3)雙波長FBG法這種方法的原理是通過在光纖的同一個位置寫入兩個波長不同的FGB,然后檢測這兩個不同波長的偏移量來分辨溫度和應(yīng)變。因為溫度和應(yīng)變導(dǎo)致的布拉格波長的偏移量由式(4)FBG諧波法FGB諧波法和上面的雙波長FGB法原理是一樣的,只是這里用的是FGB的二次諧波而不是兩個波長不同的FGB,當FGB的反射率很高時,折射率的調(diào)制有可能不是很好的正弦調(diào)制,從而導(dǎo)致了二次諧波的產(chǎn)生,而這兩個諧波的溫度和應(yīng)變靈敏度不同,通過矩陣法就可以同時檢測溫度和應(yīng)變。(5)FBG和長周期光纖光柵(LpG)混合檢測通過實驗發(fā)現(xiàn),長周期光纖光柵(LpG)的溫度和應(yīng)變靈敏度和FGB有著較大的差異,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和應(yīng)變靈敏度的話,就可以通過結(jié)合FBG和LGP實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分辨。這種方法的缺點是:長周期光柵的帶寬大容易影響測量精度和復(fù)用能力;而且長周期光柵的長度較長,埋設(shè)進材料后受非均勻應(yīng)變場的影響很大,從而降低測量精度。
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除了以上凡種典型的應(yīng)變溫度分辨方法外,還有采用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實用的分辨技術(shù)還有待進一步研究。
布拉格光纖光柵傳感器4 布拉格光纖光柵傳感器的封裝埋設(shè)技術(shù)
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光纖傳感器的研究重點方向就是所謂的“智能材料結(jié)構(gòu)”,即可以實時采集材料結(jié)構(gòu)自身的受力,溫度等參數(shù),來實現(xiàn)對材料整體性能的智能檢測。在“智能材料”這方面,光纖光柵傳感器有很好的潛力,非常適用于這種準分布式傳感應(yīng)用,因為光纖光柵是波長編碼的,在材料中不同的監(jiān)測點埋設(shè)不同波長的光柵作為傳感元件,再通過使用波分復(fù)用和時分復(fù)用技術(shù)就可以實現(xiàn)成百上千傳感點的準分布式傳感,就可以實現(xiàn)“智能材料結(jié)構(gòu)”,而正確的埋設(shè)方法也是其中的一個重要環(huán)節(jié),研究者對布拉格光纖光柵傳感器的封裝與埋設(shè)也做了大量的研究,主要集中在以下方面:(1)傳感光柵的保護問題由于光纖光柵實際上是一段光纖,所以它在剪切力的作用下很容易斷,所以在埋設(shè)的過程中須對它采取相應(yīng)的保護措施,進行相應(yīng)的封裝。(2)傳感光柵與材料之間的應(yīng)力傳遞的建模在應(yīng)力傳感過程中,傳感光柵是埋設(shè)入材料中的,所以應(yīng)力并不是直接作用在傳感光柵上的,這就意味著在材料和光柵之間存在一個力的傳遞問題,這是提高傳感準確度的一個重要方面。這就需要利用材料力學(xué)的知識建立適當?shù)哪Ｐ瓦M行分析,更精確的分析還要采用有限元分析法。
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(3)多軸應(yīng)變的產(chǎn)生的影響對于光纖光柵的埋設(shè),光柵上受到的應(yīng)力有可能是多個方向的,除了軸向應(yīng)力還有橫向應(yīng)力,橫向應(yīng)力會使光纖產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,也即導(dǎo)致了原來的單峰反射譜分裂成兩個反射峰,這就給中心波長的準確檢測帶來了一定的困難。由此可見，光柵的埋設(shè)技術(shù)是非常復(fù)雜的，如果需要準確傳感，需要考慮的因素非常多，其中包括光柵的保護，材料與光柵之間應(yīng)力的傳遞，應(yīng)力引起的雙折射效應(yīng)以及非均勻應(yīng)力引起的光譜展寬等等。
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參考資料
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惲斌峰 ．布拉格光纖光柵傳感器理論與實驗研究 ：東南大學(xué) ，2006
