光纤布拉格光栅传感器

2020/3/111光纤布拉格光栅传感器光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）传感器是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。2020/3/112将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位置发生变化的时候，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变Bragg中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg波长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图2）。2020/3/113将FBG传感器用于工程监测，其最大优势在于可以将具有不同栅距的布拉格光栅间隔地制作在同一根光纤上，用同一根光纤复用多个FBG传感器，实现对待测结构的准分布式的测量。FBG传感系统结构如图3。2020/3/114光纤Bragg光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等领域都能发挥重要作用，所以具有广阔的应用前景。它具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易燃，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。FBG技术的特点：•测量精度高——FBG应力测量精度可以达到1με，温度测量精度可以达到0.1℃。•响应时间短——单个FBG传感器响应时间小于0.01s。（时间与FBG传感器距离监控器实际距离有关）测量范围大——应变测量可以超过10000με。2020/3/1158.3.1传感原理光纤光栅的Bragg波长是随光栅的周期和纤芯模的有效折射率变化的，因此Bragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生变化时，Bragg波长的变化可表示为ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ(8.3-2)2020/3/1168.3.1.1温度传感原理温度影响Bragg波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为T(8.3-3)式中α为光纤的热膨胀系数。热光效应引起的折射率变化为Tnneffeff(8.3-4)这里，ξ为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。式(8.3-3)、(8.3-4)结合(8.3-1)，可知Bragg光栅的波长在变化的温度场中的表达式为TBB)(/(8.3-5)Bragg波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为BBTTK)(/(8.3-6)2020/3/1178.3.1.2应变传感原理应变影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力会引起光栅栅距的改变z(8.3-7)有效折射率的变化为方向方向方向zPPyPPPxPPPnzzzzyxeff]2[)]([)]([)1(1212121112121112,,2(8.3-8)式中，Pij是弹光系数，ν是纤芯材料泊松比（下同）。沿z轴方向传播的光波所经受的折射率的变化为zeffyxeffeffeffPPPnnnn)]([21)/1(211211123,23(8.3-9)定义有效弹光系数zeffePPPnP)]([211211122(8.3-10)综合式(8.3-7)、(8.3-9)、(8.3-10)代入(8.3-2)，可得应变的灵敏度eBzBPK1/(8.3-11)若沿光纤轴向施加拉力F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为SEFz/(8.3-12)式中E为光纤的杨氏模量，S为光纤面积。该拉力引起的Bragg波长变化ESPFBeB/)1((8.3-13)2020/3/1188.3.1.3压力灵敏度压力影响也是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设温度场和轴向拉力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场P中，轴向应变会使光栅的栅距改变EPz/)21((8.3-14)有效折射率的变化为)2)(21)(/(21)/1(2111123,23PPEPnnnneffyxeffeffeff(8.3-15)光纤光栅的压力灵敏度为]1)2([21/12112PPnEPKeffBBP(8.3-16)由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。2020/3/1198.3.2解调技术解调方法优点缺点高折射环形镜边缘滤波法可进行静态和动态应变的测量分辨率较低匹配光纤光栅滤波法反射方式:系统结构简单、造价低廉；透射方式：信号光利用率高，分辨率比前者高反射方式：系统信噪比较低；透射方式：跟踪控制复杂，系统非线性误差较大可调光纤F-P滤波法FFP调谐范围宽，可实现多传感器解调可用于静态或准静态测量高精度FFP价格昂贵，滤波损耗较大非平衡扫描迈克尔逊干涉法具备查询、解调光纤光栅网络传感信号的能力动态测量时需要详细分析相位随时间变化的规律非平衡M-Z光纤干涉法适用于动态参量的高分辨率测量静态测量要配合一个固定环境中的参考光栅可调谐窄带光源法具有较高的信噪比和分辨率稳定性和可调谐范围不够理想，限制了传感FBG的数目和使用范围环形腔光纤激光器激射法适合波分复用传感阵列的解调应变分辨率低2020/3/11108.3.3封装增敏和复用技术由于裸的光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装（如埋入衬底材料中），才能赋于光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。布拉格光纤光栅复用传感技术具有减少昂贵的传感元件、降低系统成本、节省能量和使用空间等优点。当布拉格光纤光栅受到应力作用或环境温度改变时，它的布拉格波长按照一定的规律发生漂移，也就是说布拉格光纤光栅传感器是波长唯一编码的。当各个光栅光谱空间必须互不重叠时，我们可以方便地将波分复用技术应用于FBG传感系统中。因为波长编码是FBG的一个重要特征，所以波分复用在复用技术中占有重要地位，但在实际的传感网络设计中，时分复用（TDM）和空分复用（SDM）技术，也有几种混合复用技术的使用方式。