光纤光栅传感器的工作原理和应用实例.pdfVIP

光纤光栅传感器的工作原理和应用实例 安勇龙叶敦范 中国地质大学机电学院 武汉430074 摘要：在光纤传感领域，光纤光栅传感技术是十多年来发展最为迅速的技术之一．迅速发展的功能 型光纤传感元件具有其它种类的光纤传感器无可比拟的优点，在地球动力学、航天器及船舶航运、民用 工程结构、电力工业、医学、和化学传感中得到了广泛的应用． 文章简要地阐述了光纤光栅传感器的 工作原理， 概述了光纤光栅传感器的实际应用，着重给出了光纤光栅传感器的应用实例． 关键词：光纤光栅传感器原理应用实例 1．引言 自从1978年K．O．Hill首先发现在掺锗光纤中的光致光栅现象并制造出世界上第一只光纤光栅以来…， 由于和传统的光纤传感器相比，它具有许多独特优点，因此在光纤通信和光纤传感等领域具有广阔的应用 前景。 传统的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量光强大小。因此光 源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的 变化，这就要求干涉条纹清晰，而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等【2】。而以光纤布拉格光栅(fiber BG)为主的光纤光栅传感器则有一些特别的优势，最主要的是传感信号为波长调制以及复 Bragggrating，F 用能力强，其好处在于：测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响：避 免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题；在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入(或粘于) 被测结构，可同时得到几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。可以说，光纤光栅传感器是最理想的 灵敏元件131。基于上述原因，光纤光栅传感器己成为当前光纤传感器的研究热点。随着光纤光栅制造技术的 进步和性能的改善以及应用开发研究成果的不断涌现，光纤光栅传感器在传感器领域中会处于越来越重要的 地位。 本文简要地阐述了光纤光栅传感器的工作原理，概述了光纤光栅传感器的实际应用，着重给出了光纤光 栅传感器的应用实例。 2．光纤光栅传感器的工作原理 2．1光栅光纤传感器结构 光栅光纤传感器的典型结构如图l所示。 3dB耦合器 光纤光揖 圈l 光纤光栅传感器的典型结构 345 图中的光源应为宽谱光源，且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比，一般可选用侧面发 uw～100uW。此功率电平为光纤光栅解调系 光二极管ELED。ELED耦合进单模光纤的光功率至少为50 光纤光栅反射回的光信号通过3dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光 电转换，最后由计算机做分析、储存，按用户规定的格式在计算机上显示出被测量大小。 2．2 Bragg光纤光栅传感器的工作原理 Bragg光纤光栅满足Bmgg条件： AB=2n·A (1) 式中，AB为Bragg波长，以为有效折射率，／t为光栅周期。作用于光纤光栅的被测物理量(如温度，应 力等)发生变化时，会引起万和以的相应改变，从而导致^B的漂移，反过来，通过检测^B的漂移，可得知 被测物理量的信息。Bra踣光纤光栅传感器的研究工作主要集中在温度和应力的准分布式测量上。温度和应 力的变化所引起的AB的漂移可表示为： (2) 式中，￡为应力，Ri为光压系数，V为横向变型系数(泊松比)，口为热涨系数，△丁为温度的变化量。利用 磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。磁场诱导的折射率变化为： 以f-，zI=Vd·H·^尼万 (3) 式中，附为Verdet常数，日为被测