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光纤光栅传感器的基泉源基础理及应用

宣布时间:2010年08月19日 10:08    宣布者:lavida
要害词: 传感器 , 光纤 , 光栅
一、前言  

1978 年加拿年夜渥太华通讯研究中央的K·O·Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应,并接纳驻波写入法制成天下上第一根光纤光栅。19*,美 国联络手艺研究中央的G·Meltz等人完成了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光正面写入手艺,使光纤光栅的制造手艺完成了突破性停留。随着光纤光 栅制造手艺的赓续完善,其应用的效果日趋增多,从光纤通讯、光纤传以为光盘算和光信息处置赏罚赏罚的所有领域都将由于光纤光栅的适用化而发生革命性的变换,光纤光 栅手艺是光纤手艺中继掺铒光纤镌汰年夜器(EDFA)手艺以后的又一严严重年夜手艺突破。  

光 纤光栅是应用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光经由历程搀杂光纤时,光纤的折射率将随光强的空间漫衍发生照顾变换的特点。而在纤芯内组成的空 间相位光栅,其本质就是在纤芯内组成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。应用这一特点可制造出许多性能希奇的光纤器件,它们都具有反射带宽规模年夜、 附加消耗小、体积小,易与光纤耦合,可与其它光器件兼容成一体,不受情形灰尘影响等一系列优良性能。  

光 纤光栅的种类许多,主要分两年夜类:一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅),二是透射光栅(也称为长周期光栅)。光纤光栅从结构上可分为周期性结构 和非周期性结构,从功效上还可分为滤波型光栅和色散赔偿型光栅;其中,色散赔偿型光栅是非周期光栅,又称为啁啾光栅(chirp光栅)。现在光纤光栅的应 用主要集中在光纤通讯领域和光纤传感器领域。  

在 光纤传感器领域,光纤光栅传感器的应用远景很是辽阔。由于光纤光栅传感用具有抗电磁滋扰、尺寸小(尺度裸光纤为125um)、重量轻、耐温性好(使命温度 下限可达400℃~600℃)、复用才干强、传输距离远(传感器到解调端可达几千米)、耐侵蚀、高迅速度、无源器件、易形变等优点,早在1988年就告成 地应用在航空、航天领域中作为有用的无损检测当中,同年光纤光栅传感器还可应用于化学医药、质料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域,和在土木匠程领域中(如修建物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等)的混凝土组件和结构中测定结构的完全性和外部应变状态,从而培植无邪结构,并进一步完成智能修建。  

2、光纤光栅传感器的使命原理  

我们知道,光栅的Bragg波长lB由下式决议:lB=2nL (1)  

式中,n—芯模有用折射率; L—光栅周期。  

当光纤光栅所处情形的温度、应力、应变或其它物理量发生变换时,光栅的周期或纤芯折射率将发生变换,从而使反射光的波长发生变换,经由历程丈量物理质变换前后 反射光波长的变换,便可以取得待测物理量的变换情形。如应用磁场指导的左右旋极化波的折射率变换不合,可完成对磁场的直接丈量。此外,经由历程特定的手艺,还 可完成对应力和温度的划分丈量和同时丈量。经由历程在光栅上涂敷特定的功效质料(如压电质料),对电场等物理量的直接丈量也能完成。  

1、啁啾光纤光栅传感器的使命原理  

下面简介的光栅传感器系统,光栅的几何结构是匀称的,对单参数的定点丈量很有用,但在须要同时丈量应变和温度或许丈量应变或温度沿光栅长度的漫衍时就显得力有未逮。此时,接纳啁啾光纤光栅传感器就就是一个不错的选择。  

啁啾光纤光栅由于其优良的色散赔偿才干而应用在高比特远程通讯系统中。与光纤Bragg光栅传感器的使命原理基内幕同,在外界物理量的作用下,啁啾光纤光栅除DlB的变换外,光谱的展宽也会发生变换。这类传感器在应变和温度均存在的场所是异常有用的。由于应变的影响,啁啾光纤光栅反射旌旗暗记会拓宽,峰值波长也会发生位移,而温度的变换则由于折射率的温度依附性(dn/dT),仅会影响重心的职位。是以经由历程同时丈量光谱位移和展宽,便可以同时丈量应变和温度。  

2、长周期光纤光栅(LPG)传感器的使命原理  

长周期光纤光栅(LPG)的周期浅易以为有数百微米,它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层,其公式以下:li=(n0-niclad)·L (2)  

式中,n0—纤芯的折射率;niclad—i阶轴对称包层模的有用折射率。  

光在包层中将由于包层/空气界面的消耗而迅速衰减,留下一串消耗带。一个自力的LPG能够在一个很宽的波长规模上有许多的共振,其共振的中央波长主要取决于芯和包层的折射率差,由应变、温度或外部折射率变换而发生的任何变换都能在共振中发生年夜的波长位移,经由历程检测Dli,便可取得外界物理质变换的信息。LPG在给定波长上共振带的照顾通常有不合的幅度,是以适用于构建多参数传感器。  

3、光纤光栅传感器的应用  

1、在地球动力学中的应用  

在地震检测等地球动力学领域中,地表骤变等情形的原理及其风险性的估定和意料是异常严重年夜的,而火山区的应力和温度变换是现在为止能够提醒火山运动性及其关 键运动规模演变的最有用手段心。光纤光栅传感器在这一领域中的应用主若是在岩石变形、垂直震波的检测和作为地形检波器和光学地震仪应用等方面。运动区的 应变通常网罗静态和静态两种,静态应变(网罗由火山发生的静态变形等)浅易都定位于与地质变形源很近的距离,而以震源的震波为代表的静态应变则能够在与震 源较远的地球周边情形中检测到。为了取得相当准确的震源或火山源的职位,更好地形貌源区的几何形状和演变情形,须要应用辘集排列的应力-应变丈量仪。光纤 光栅传感器是能完成远距离和辘集排列复用传感的宽带、高群集化传感器,切合地震检测等的请求,是以它在地球动力学领域中无疑具有较年夜的潜在用处。有报导指 出,光纤光栅传感器已告成检测了频率为0.1Hz~2Hz,年夜小为10-9 e的岩石和地表静态应变。  

2、在航天器及船舶中的应用  

先进的复合资料抗疲劳、抗侵蚀性能较好,而且可以减轻船体或航天器的重量,关于快速航运或飞翔具有主要意义,是以复合资料愈来愈多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。  

为周全权衡船体的状态,须要明确其不合部位的变形力矩、剪切压力、船面所受的鞭笞力,浅易船体年夜约须要100个传感器,是以波长复用才干极强的光纤光栅传 感器最合适于船体检测。光纤光栅传感系统可丈量船体的曲折应力,而且可丈量海浪对湿船面的鞭笞力。具有干预干与干与探测性能的16路光纤光栅复用系统告成完成了带 宽为5kHz规模内、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的静态应变丈量。  

另外,为了监测一架飞翔器的应变、温度、振动,升降驾驶状态、超声波场和加速率情形,通常须要100多个传感器,故传感器的重量要尽能够轻,尺寸尽能够小,因 此最无邪的光纤光栅传感器是最好的选择。另外,现实上飞机的复合资估中存在两个偏向的应变,嵌人资估中的光纤光栅传感器是完成多点多轴向应变和温度丈量的 理想智能元件。  

3、在夷易近用工程结构中的应用  

夷易近用工程的结构监测是光纤光栅传感器最生动的领域。关于桥梁、矿井、隧道、年夜坝、修建物等来讲,经由历程丈量上述结构的应变漫衍,可以预知结构部门的载荷及状 况,便利阻拦掩护和状态监测。光纤光栅传感器可以贴在结构的外面或事后埋入结构中,对结构同时阻拦进击检测、形状控制和振动阻尼检测等,还以监视结构的缺 陷情形。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感群集,对结构阻拦准漫衍式检测,并经由历程盘算机对传感旌旗暗记阻拦远程控制。  

光纤光栅传感器可以检测的修建结构之一为桥梁。应用时,一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的外面,或在梁的外面开一个小凹槽,使光栅的裸纤芯部门嵌进凹槽中 (便于防护)。假定须要加倍完善的掩护,则最好是在制造桥时把光栅埋进复合筋。同时,为了修改温度效应惹起的应变,可应用应力和温度脱离的传感臂,并在每 一个梁上均装配这两个臂。  

两个具有类似中央波长的光纤光栅取代法布里-珀*涉仪的反射镜,构玉成光纤法布里-珀*涉仪(FFPI),应用低相关性使干预干与干与的相位噪声最小化,这一 措施完成了高迅速度的静态应变丈量。用FFPI联络另外两个FBG,其中一个光栅用来测应变,此外一个被掩护起来(免受应力影响),以丈量和修改温度效应, 同时完成了对三个量的丈量:温度、静态应变、瞬时静态应变。这类措施兼有干预干与干与仪的相关性和光纤布拉格光栅传感器的优点,在5me的丈量规模内,完成了小于 1me的静态应变丈量精度、0.1℃的温度迅速度和小于1ne/(Hz)1/2的静态应变迅速度。  

4、在电力工业中的应用  

光纤光栅传感器因不受电磁场滋扰和可完生长距离低消耗传输,从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、年夜电流等都可应用光纤光栅传感器丈量。  

在电力工业中,电流转换器可把电流变换转化为电压变换,电压变换可使压电陶瓷(PZT)发生形变,而应用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移,很容易得知其 形变,进而测知电流强度。这是一种较为克己的措施,而且不须要严重年夜的电隔离。另外,由年夜雪等对电线施加的过量的压力能够会激起风险事宜,是以在线检测电线 压力异常主要,特殊是关于那些不容易检测到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载重量,其原理为把载重量的变换转化为紧贴电线的金属板所受应力的变换,这 一应力变换便可被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。这是应用光纤光栅传感器完成远距离低劣情形下丈量的实例,在这类情形下,相邻光栅的间距较年夜,故不 需快速调制息争调。  

5、在医学中的应用  

医学中用的传感器多为电子传感器,它对许多外科手术是不适用的,特殊是在高微波(辐射)频率、超声波场或激光辐射的太高热治疗中。由于电子传感器中的金属 导体很容易受电流、电压等电磁场的滋扰而惹起传感头或肿瘤周围的热效应,这样会招致弱点读数。近年来,应用高频电流、微波辐射和激光阻拦热疗以取代外科手 术愈来愈遭到医学界的关注,而且传感器的小尺寸在医学应用中是异常主要的,由于小的尺寸对人体组织的 风险较小,而光纤光栅传感器正是现在为止能够做到的最小的传感器。它能够经由历程最小限制的风险要领丈量人体组织外部的温度、压力、声波场的准确部门信息。到 现在为止,光纤光栅传感系统曾经告成地检测了病变组织的温度和超声波场,在30℃~60℃的规模内,取得了分辨率为0.1℃和准确度为±0.2℃的丈量结 果,而超声场的丈量分辨率为10-3atm/Hz1/2,这为研究病变组织供应了有用的信息。  

光纤光栅传感器还可用来丈量心脏的效力。在这类措施中,医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管拔出病人心脏的右心房,并注射人一种冷溶液,可丈量肺动脉血液的温度,联络脉功率便可知道心脏的血液输入量,这关于心脏监测是异常主要的。  

6、在化学传感中的应用  

光纤光栅传感器可用于化学传感,由于光栅的中央波长随折射率的变换而变换,而光栅间倏掉落波的相互作用和情形中的化学物质的浓度变换都邑惹起折射率的变换。  

长周期光栅(long period fiber grating,LPFG)与布拉格光纤光栅一样,也是由光纤轴上发生周期性的折射率调制而组成,其周期浅易年夜于100μm。它的耦合机理是:向前传输的 纤芯基模被耦合入几个特定波长的向前传输的包层模,包层模很快损掉落掉落落,以是LPFG基本上没有后向反射,在其透射谱中有几个特定波长的吸收峰。LPFG对 光纤包层质料折射率的变换比上述的光纤布拉格光栅越发敏感,包层质料折射率的任何变换都邑改变传输光谱的特点,使吸收峰发生改变,以是长周期光栅折射率测 量系统的分辨率可完成10-7的迅速度。现在曾经用长周期光栅测出了许多化学物质的浓度,网罗蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等,准绳上,任何具有吸收峰谱而且其折射率在1.3和1.45之间的化学物质都可用长周期光栅阻拦探测。  

四、阻拦语  

除 上述应用外,光纤光栅传感器还在其他领域取得了应用,而且许多方面的性能都比传统的电机类传感器更稳固、更可靠、更准确。光纤光栅传感器可以用于应力、应 变或温度等物理量的传感丈量,具有较高的迅速度和丈量规模。在光纤若干个部位写入不合栅距的光纤光栅,便可以同时测定若干部位照顾物理量及其变换,完成准 漫衍式光纤传感。总之,光纤光栅传感器的应用是一个向阳东升的领域,有着异常辽阔的生长远景。  

现在对光纤光栅传感器的研究偏向主要有三个方面:  

1、对传感器自己及阻拦横向应变感测和高迅速度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变换的传感器研究;  

2、对光栅反射旌旗暗记或透射旌旗暗记剖析和测试系统的研究,目的是开发低资源、小型化、可靠且迅速的探测手艺;  

3、对光纤光栅传感器的现实应用研究,网罗封装手艺、温度赔偿手艺、传感器群集手艺。  

现在限制光纤光栅传感器应用的最主要误差是传感旌旗暗记的解调,正在研究的解调措施许多,但能够现实应用的解调产物着实不多,而且价钱较高。其次,光纤光栅传感器应用中的其他效果也异常主要,如:  

1、由于光源带宽无限,而应用中浅易请求光栅的反射谱不克不及堆叠,是以可复用光栅的数目遭到限制;  

2、若何实现在复合资估中同时丈量多轴向的应变,以再现被测体的多轴向应变形貌;  

3、若何完成年夜规模、高精度、快速实时丈量;  

4、若何准确地分辨光栅波长变换是由温度变换惹起的照样由应力发生的应变惹起的等。  

有用地处置赏罚赏罚上述效果关于完成克己、稳固、高分辨率、年夜丈量规模、多光栅复用的传感系统具有主要意义。
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