光纤光栅与结构集成工艺(PPT作业)

光纤光栅与结构集成工艺光纤光栅的发现与发展光纤光栅的物质基础是光纤，光纤最早应用于光通信技术，而将光纤应用于传感领域实现的光纤传感技术，是20世纪70年代后期伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，是以光波为载体，光纤为介质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。布拉格光栅光纤光栅的发现与发展1978年，加拿大Hill等人使用如下图所示的实验装置将488nm的氩离子激光注入到掺锗光纤中，首次观察到入射光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性调制，从而发现了光纤的光敏特性，并制成了世界上第一个光纤布拉格光栅。光纤光栅的发现与发展1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光纤光栅技术，他们利用两束干涉的紫外光从光纤侧面写入了光栅。这项技术不仅大大提高了光栅的写入效率，而且可以通过改变两束相干光的夹角来控制反射波长。1993年，Hill等人提出了相位掩模写入技术，利用紫外激光经过相位掩模后的士1级衍射光形成的干涉条纹对光纤侧面曝光写入光栅。1993年。Lemaier等人提出了一种提高光纤光敏性的简单有效方法一低温载氢技术，他们将光纤浸入20一750个大气压，20一75℃的氢气中，使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部，然后再用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤的光敏性提高近两个量级。这极大地降低了光栅制作成本，在不同通信光纤上可以很容易的制作出高反射率的光纤布拉格光栅。光纤光栅的分类1、根据物理机制的不同分类1）蚀刻光栅：在光纤结构中形成明显的物理刻痕2）折射率调制的位相光栅：在纤芯中形成折射率周期分布。现在提到的光纤光栅几乎专门指代后者光纤光栅的分类2、根据光敏机制的不同分类Ⅰ类光栅：掺杂浓度较低的光纤内形成较低UV曝光量局部缺陷引起折射率变化折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0温度稳定性较差（300℃）可使脉冲或连续激光，前者更有效光纤光栅的分类ⅡA（Ⅲ）类光栅掺杂浓度较高（eg＞25mol%GeO2)的光纤内形成较高UV曝光量（＞500J/cm2)，结构重构引起折射率变化折射率变化⊿n＜0温度稳定性较好（500℃）可使脉冲或连续激光在Ⅰ类光栅的基础上，随着曝光时间的进一步增加形成的光纤光栅的分类Ⅱ类光栅极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度物理破坏引起折射率变化折射率变化⊿n可达10-2温度稳定性好（800℃）只能使用脉冲激光光纤光栅的分类3、根据空间折射率调制周期和分布的不同分类1）均匀光纤光栅：光栅的光学周期沿轴向保持不变光纤布拉格光栅（FiberBragggrating）：最早发展起来的一种光栅，也是目前使用最广泛的一种光栅，此类光栅纤芯折射率呈均匀的空间周期性分布，栅格周期一般为10^2nm量级，折射率调制深度一般为10^-3~10^-5具有较窄的反射带宽和较高的反射率，且可以通过改变写入条件加以灵活调节光纤光栅的分类长周期光纤光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达几百微米波长选择特性会因外界应力、温度等因素的影响而改变对温度、应变的灵敏度更高，具有低反射、测量方法方便等优点和普通的FBG相比较而言光纤光栅的分类闪耀光纤光栅：光栅制作中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，使得虽然光栅周期与折射率调制深度均为常数，但是光栅波矢方向与光纤轴向成一定角度，就形成了闪耀光栅光纤光栅的分类2）非均匀光纤光栅：光栅的光学周期沿光栅轴向变化啁啾光纤光栅：栅格间距不等，不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此惆啾光栅能够形成很宽的反射带宽，最大的可以超过100nm光纤光栅的分类相移光纤光栅:是在均匀周期光栅的某些特定点上，通过一些方法破坏其周期的连续性得到的超结构光栅:其折射率调制不是连续的而是周期性间断的，相当于在布拉格光栅的折射率正弦调制上加了一个方波型包络函数。既有布喇格光栅的反射特性，亦有长周期光栅的包层模祸合特性光纤光栅的优势作为传感器，光纤光栅与传统的电传感器等相比尤其独特的优点:1.传感头结构简单、体积小、重量轻、外形柔软可变，适合附着在被测结构表面也可以埋入大型结构中，测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，实现无损伤检测。稳定性高，重复性好。2.光纤轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用等复用技术相结合，实现多点、分布式传感。这使得“蒙皮”(又称“智能皮肤”)技术能够变为现实，并在大型土木结构的健康监测等方面有重要应用。因此人们十分重视该领域的研究，并且它已成为传感领域重要组成部分。光纤光栅的优点3.与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高。4.具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作。5.测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及祸合损耗、弯曲损耗以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力。6.高灵敏度、高分辩力。该类传感器的信息载体是光，无论以波长还是相位为监测对象都具有非常高的传感精度，即便监测其振幅或强度，若有效的运用具有高分辨能力的光电仪器，也可对某物理量的监测具有非常高的精度。光纤光栅工作原理Λ入射光反射光透射光包层纤芯光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：122β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。光纤光栅工作原理当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。光纤光栅工作原理掺杂种类与掺杂浓度预制棒拉纤速度影响光纤光敏性光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关影响光纤光敏性因素增加光纤光敏性方法低温载氢处理预制棒高温载氢处理火焰热处理混合掺杂（硼、锡、氮气等）光纤光栅封装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)，才能赋子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为什么要封装光纤光栅封装技术1、温度减敏和补偿封装由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性，在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅，用于消除温度变化的影响。这种方法需要消耗更多的光栅，增加了传感系统的成本。用热膨胀系数极小且对温度不敏感的材料对光纤光栅进行封装，将很大程度上减小温度对应力测量精确性的影响。采用具有负温度系数的材料进行封装或设计反馈式机构，可以对光纤光栅施加一定应力，以补偿温度导致的布喇格波长的漂移，使∆𝜆/𝜆0的值趋近于0。增敏、减敏以及补偿型封装原理β一锂霞石(β一石英的衍生物)玻璃陶瓷、液晶聚合物等光纤光栅封装技术2、应力和温度的增敏封装光纤Bragg光栅的温度和应变灵敏度很低，灵敏度系数分别约为1.13×10−2nm/℃和1.2×10−3nm/𝜇𝜀，难以直接应用于温度和应力的测量中。对光纤光栅进行增敏性封装，可实现微小应变和温度变化量的“放大”，从而提高测量精度，同时，亦使传感器的测量范围得以扩展。不同功能的传感器封装温度增敏封装：0[(1)()]esapaaT选用有机材料、金属或合金等材料可以较大地提高光纤光栅的温度灵敏度系数，如用一种热膨胀系数很大的混合聚合物对光纤光栅进行封装，在20~80℃范围内可将光纤光栅的温度灵敏度提高11.2倍。无应变条件下高热膨胀系数基底材料光纤光栅封装技术应力增敏封装：用杨氏模量较小的材料对光纤光栅进行封装后将传感头置于应力场中，由于基底材料与光栅紧密粘接，产生较大应变的基底材料将对光栅产生带动作用，增加光栅的轴向应变，从而增加布拉格波长的漂移量，使光纤光栅传感器具有更大的应力灵敏度。杨氏模量较小的聚合材料不同功能的传感器封装1、粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器铜片上未贴光纤Bragg光栅的平面被粘贴于被测物体的表面(1)BcfBecCp波长偏移：cfC为光纤与铜片间的粘贴系数不同功能的传感器封装为便于保护，传感器被封装于下图所示的盒子里，光纤从盒子的两侧的小孔引出。防止潮湿对光纤的侵蚀和破坏，盒子内可注入柔性硅胶。底面黏贴与被测表面不同功能的传感器封装2、埋入式光纤光栅传感器的封装结构以毛细钢管封装为例：环氧树脂等胶光纤光栅毛细钢管存在的问题：由于光纤光栅所感受到的应变为胶接层内表面的应变，与毛细钢管内壁实际应变(胶接层外表面的应变)不同，因此需要推导光纤光栅应变与毛细钢管内壁之间的关系不同功能的传感器封装3、工字型钢柱封装将光纤Bragg光栅沿轴向用丙烯酸胶粘贴在小圆柱上预割的槽道中点位置，待粘贴牢固后，用环氧树脂将槽道封死以保护光栅。优点：整个封装结构由整根钢料加工而成，整体性好。测量是标距内的平均应变和黏贴式类似不同功能的传感器封装4、钢管封装光纤Bragg光栅温度传感器基本原理是将光纤Bragg光栅与应变隔绝，使之只能感受到环境温度的变化此端固定此端自由不同功能的传感器封装5、耐高温FBG温度传感器的设计如果选用聚合物胶，由于聚合物在固化过程中，发生收缩，会产生光纤光栅的啁啾化。这种结构的温度传感器中间有螺纹，在封装过程中，用于给光纤光栅施加一定的预应力，而且可以调节施加的光纤光栅预应力的大小。这样，在封装好光纤光栅后，光纤光栅一直处于张紧状态，光纤光栅和细钢管之间会保持良好的受力关系。调节预应力的螺纹不同功能的传感器封装6、剪刀型结构封装先调节螺杆1,使光纤光栅6达到所需的波长𝜆𝐵,当温度升高后,光纤芯的折射率和光纤光栅的周期都将变大,因而光纤光栅的调谐波长将向长波方向移动,而金属丝2由于热膨胀系数比光纤大,其膨胀量也比光纤大,通过中间铰链连接起来的两个V型支架5,7,使光纤光栅6所受的应力变小,从而补偿了光纤光栅的波长漂移存在的问题：这种温度补偿封装的光纤光栅的长期可靠性问题(材料蠕变效应)不同功能的传感器封装7、玻璃球结构压力传感器封装由压力引起的光纤光栅上的应变与玻璃球直径的相对变化率Δd/d是相等的BeB(1)(1)0.17ddpPdEtE表示杨氏模量；μ是泊松比；t是玻璃球的壁厚。光纤光栅的应用现状1）民用工程结构中的应用光纤光栅传感器在民用方面多用于结构监测。监视结构缺陷的形成和生长。铺设光缆传感器安装2005年12月18日在天津市北仓立交桥进行加载检测，检测桥梁承载的应变，测量桥梁的剪应力光纤光栅的应用现状在卢浦大桥选定的端面上布设了光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，所有传感器串联后，信号通过光纤传输到桥管所，实现大桥的集中监测。数据测量的周期根据业主的要求来确定，通过在桥面加载的方式，利用光纤光栅传感网络分析仪，完成桥梁的动态应变测试。光纤光栅的应用现状光纤光栅传感器光纤光栅传感器串联光纤光栅的应用现状MOI公司：在铁路站的应用是采用静态解调仪sm125，应变传感器os3100，温度传感os4100，以及监测软件Enlight系统光纤光栅的应用现状2）船舶行业中的应用美国海军水面战斗中心NavalSurfaceWarfareCenter,CarderockDivision在登陆平台船坞LPD17上的舰船推进器上完成了光纤传感系统光纤光栅的应用现状SensorTran系列分布式光纤测温（DTS）产品最早是为了满足美国宇航局（NASA）无人驾驶航天飞机X-33的温度检测需求而设计的，采用光纤作为温度信息采集的传感器，通过测量入射激光在光纤中不同距离处产生的散射波，测知沿光纤分分布的上万点的实时温度信息3）航空航天业中的应用光纤光栅的应用现状光纤陀螺的标准结构日本MitsubishiPrecision公司和空间及宇航所为日本M-V火箭系统设计制造的惯导系统诺斯罗普-格鲁门公司的光纤陀螺惯性导航系统LN-260被美国空军选中升级其多国战斗机项目F-16机队的航电系统光纤光栅的应用现状4）医学中的应用南京航空航天大学生物医学工程系钱志余