关于光纤光栅传感技术探究

减小字体 增大字体 作者:佚名  来源:本站整理  发布时间:2013-03-31 18:53:56

1 光纤光栅基本原理

光纤光栅有很多种类,目前,主要研究的有3种类型:一是FBG光栅又称短周期光栅,主要利用它的背向反射特征制作传感器;二是LPFG光栅又称长周期光栅,主要利用它的同向透射特征制作传感器;三是chirp光栅又称啁啾光栅,主要利用它的色散补偿特征制作光纤传感和光源的器件。光纤光栅分为周期性和非周期性的、长周期和短周期的、色散补偿型光栅和滤波型的。文中主要介绍的是FBG光栅,并对LPFG光栅进行简单介绍。

1.1 光纤布拉格光栅(FBG)原理

布拉格光纤光栅(简称FBG光栅)的制作方法很多,最早是1978年,加拿大渥太华通讯研究中心的K.O.Hill等人首次在参锗石英光纤中发现光纤的光敏效应,采用逐波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1]。在石英光纤上写入光栅,使之在光纤上形成周期性的光栅,通常周期小于0.5 μm,称为布拉格光纤光栅,见图1。

布拉格光纤光栅波长λB计算公式为

λB = 2nΛ,(1)

式中,λB为光栅波长,n为有效折射率,Λ为光栅周期。

当光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化以及其他因素影响,会引起光栅的周期Λ或纤芯折射率n发生变化,从而造成λB反射光波长发生变化。在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前、后,检测其反射光波长λB的变化,就可以计算出光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化数值。布拉格光纤光栅主要研究是温度、应变和应力的检测[1]。

温度和轴向应力发生变化,会导致的光栅中心波长λB发生变化。表达式为

△λB = 2nΛ{1 - n2/2[P12 - v(P11 + P12)]}ε +

2nΛ[α +(1/n)(dn/dT)]△T,(2)

式中,ε为应变,P[i,j]为光压系数,v为泊松比,α为热胀系数,△T为温度变化量。

由式(2)可知,若温度和轴向应力任何一项发生变化,会导致的光栅中心波长λB发生变化。所以,必须对测量数据进行特殊计算和对传感器设计进行特殊技术处理,才能实现应变、应力和温度的精确测量。

1.2 长周期光纤光栅(LPFG)

长周期光纤光栅(LPFG)是相对FBG光纤光栅而言的,它比FBG光纤光栅的周期长很多,其周期可从几十微米到几百微米。它与FBG光纤光栅的工作原理不同,主要检测其透射波长的变化。它的数学模型比较复杂,是以空气为外包层的三层阶跃耦合结构,主要是基模与同向包层模之间的耦合,它的损耗峰较宽,有宽阻带滤波特性。具有后向反射率低、带宽宽等特性,它对应力、温度、外部折射率变化都有响应,而且对应力、温度变化的响应灵敏度比FBG光纤光栅高得多,对横向应力也有反应,是现在光纤光栅传感器的研究重点,利用其特点可研制出温度、振动、加速度、磁场、液体、气体等传感器,应用前景广泛。

2 光纤光栅传感系统

光纤光栅具有与传统电类传感器不可比拟的优点,具有分布式特点,可在1根光纤上连接多个光纤光栅传感器,分布式光纤光栅传感系统可以实现分布式多点准确定位、实时测量。所以,在对光纤光栅传感器进行进一步研究之外,还对光纤光栅传感系统的分布形式进行研究。分布式光纤光栅传感系统是在1根光纤上串接、并接多个光纤光栅传感器,每个光纤光栅传感器的工作波长必须不同,并且有一定间隔,不能重叠。

分布式光纤光栅传感系统又称准分布式光纤传感系统,可以实现多通道分布式实时监测。

光纤光栅传感系统主要由ASE宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调系统等组成。工作原理为:ASE宽带光源的宽带光经过耦合器进入光纤光栅传感器,光纤光栅传感器的反射波再经过耦合器,进入可调谐滤波解调系统,可调谐滤波解调系统对所有光纤光栅传感器反射波进行解调、计算、处理,得出每个光纤光栅传感器中心波长的变化数值,进而确定了空间分布的每个光纤光栅传感器的实际数据,在计算机屏幕上显示,见图2。

3 常见光纤光栅传感器

光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力多参数的准分布式测量上。温度和应力可分别制成2个光纤光栅传感器,分别对温度和应力参数进行测量,也可制成一个光纤光栅传感器对温度和应力参数进行同时测量。实现应变和温度参数同时测量的方案很多,但是从原理上分析,基本都是基于双波长矩阵法、双参量矩阵法、温度参考光栅法、温度(应力)补偿法和光强测温法等几种技术[2]。

3.1 光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器用来测量温度在(-30 ℃~ +150 ℃)范围内的发热物体,可适用于各种测温场合,分辨率可以达到0.1 ℃,见图3;可应用于船舶、电力、核电站、水利、航空航天、煤矿、医学、消防等领域。具有本征安全、抗电磁干扰、精度高、分辨率高、可靠性高等优点。

3.2 光纤光栅应变传感器

该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距,适合大应变的较大范围监测,可埋设在水工建筑

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