光纤传感器重点

1、光纤传感器在温度测量中的应用姓名：李红梅 学号： 2010204057 专业：测试计量技术及仪器摘要： 光纤传感器因为其测量范围非常广，测量精度高等优点，成为二十世纪发展得最 快的传感器。对于光纤温度传感器来说，目前普遍应用的有光线光栅传感器和分布式光 纤温度传感器两种，本文主要研究利用光纤光栅传感器(FBG测量温度，FBG温度传感器则是重要的利用光纤进行测量的温度传感器。其原理是当温度发生变化时，光纤材料 的热膨胀会使得光纤的栅距发生变化；而FBG所具有的热光效应同样也会光纤折射率的变化。关键词： 光纤光栅传感器，温度测量， FBG1. 引言1.1 光纤光栅传感器光纤光栅是利用光纤的光敏特性

2、制成的。 光敏性指强激光通过掺杂光纤时 外界入射光子和纤芯内的锗离子相互作用引起折射率的永久性的变化。光纤 的折射率随光纤空间的分布发生相应的变化，变化大小与写入光强的平方呈 正比的关系。目前光栅传感器的实际应用的研究，包括FBG( Fiber BraggGrating )的制作技术以及制作完成后的封装的技术、 温度补偿的技术、 传感 器络技术和研究在材料与结构中埋入 FBG传感器的可行性。1.2 FBGf专感器国内外的研究现状最早出现的一种光栅传感器光纤布拉格光栅 (Fiber Bragg Grating ， 简称FBG)专感器以其独特的波长编码，多点测量等优点，已经在很多领域如 土木结构，

3、海洋工程，航空航天，航海工程，民用工程等得到了广泛的应用。 FBGf专感器是一种实现应变和温度传感的传感仪器 1。它通过光波长与应变 和温度的线性关系， 来实现温度和应变的测量。 它属于无源器件， 无需电源， 抗电磁千扰，体积小，可埋入结构内部以及易于形成多点测量系统等优点。 目前，国内外对于FBG传感器的研究主要集中在以下几个方面：(1) FBG专感器的制作技术FBG 技术还处在发展阶段。简单，可控性的制作方法，批量化的生产技 术是FBG技术普遍推广应用的前提。FBG的写入技术是从国外发展而来，主 要有内部写入和外部写入两种写入方法。 在国内，自 1 998年武汉理工大学建 立了 FBG传感

4、研究基地，发展到现在，武汉理工光科股份有限公司已经成为 我国最大的光纤传感器产业化生产基地。(2) FBG专感器的传感机构。FBG在现场实施过程中容易折断损坏，不易操作等问题，使得 FBG传感 器增敏封装等技术成为FBG传感器研究和制作的一个热点。另外，在单一参 量的测量中，FBG传感器对应变、温度两者的分离技术也是 FBG传感器研究 的难点。同时，对于多参量同时测量也是 FBG发展的一个方向。利用光纤应 变敏感性间接测量其它物理量也具有发展潜力。如可以将 FBG传感器采用其 它的设计方法，将其它物理量转换成待测的应变量 ( 如位移，加速度，力等 ) 应用于其它参量的测量中。(3) FBG 传

5、感器的解调技术。目前限制光纤传感器大量应用的主要障碍就是 FBG的解调技术。虽然FBG信号解调技术的方法很多，但制作成商品的FBG解调设备非常昂贵。国外在解调技术方面的研究要比国内早得多。早在1992年，Kersey等人提出了一种采用干涉仪解调具有高分辨率FBG传感技术方案。Micron optics in strume nt（MOI公司）是一家专门生产光纤解调仪的公司，生产的光纤解调 设备针对静态和动态测量的需要，具有高分辨率（分辨率可达1Pm，高速度（SM130其动态测量频率可达IO00HZ），多传感（每个通道可连接128个FBG） 的特点，是目前光纤解调技术先进的代表之一。2. FBG的

6、传感原理2.1 FBG的光学原理光纤由纤芯，包层和涂履层组成。它是工作在光波波段的一种介质波导。 光纤传输主要是根据全反射原理。纤芯中有少量的掺杂如锗等，使得纤芯的 折射率略大于包层。当光传播经过纤芯和包层的界面，由于满足全反射的条 件，将光束约束在纤芯内，进行传播。如图 2.1，光在光纤中的传输。巧jAW* :图2.1光在光纤中的传输FBG是由普通的单模通讯光纤剔除涂履层后，放入加压氢气罐中载氢，最 后通过相位掩模技术制作而成。主要是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光 照射引起光纤纤芯折射率发生永久性变化。光波在光纤中传输时，由于纤芯边界的限制，其电磁场解是不连续的。这 种不连续的场解称为模式

7、。对于理想的均匀光纤结构，纤芯及包层存在许多 模式。这些模式之间是相互正交的，互不千扰，即不存在模式祸合。在光纤 中写入光栅后，其纤芯折射率周期变化造成光纤波导条件发生改变，引起不 同的光波模式之间的祸合。模式耦合使各个模式之间发生能量的转移，并且 可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另外一个光纤模式中去 改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可以被藕合到 反向传输模也可以被耦合到前向包层模中，主要由不同传输常数决定的相位 条件，即：K=B ?- B ?=2n /A（2.1 ）其中人为光栅周期，B ?， B ?分别为模式1和模式2的传播常数。前向传 播为正，后向传播为

8、负。若要将正向传播导波模式祸合到反向传播导波模式，其相位条件应该满 足：2r/A “ 图22光在光纤中的传输K=2n/A= B ?B ?=B ?( B ? = 2B ?(2.2 )若传播常数满足B ?= 2 n n off /入o,这种光栅称为Bragg。其基本特性就 是一个反射式的光学滤波器，反射峰值波长称为Bragg波长。即：入=2n A(2.3 )因此，FBG专感的光学原理是在光纤纤芯传播的光在每个FBG面处发生散射，满足布拉格反射条件的光，在每个光栅平面反射回来逐步累加，最后反 向形成一个反射峰。如果不满足布拉格条件，依次排列的光栅平面反射的光 相位将会逐渐变得不同直到最后相互抵消。另

9、外，由于系数不匹配，与布拉 格谐振波长不相符的光在每个光栅平面的反射很微弱2。2.2 FBG的光学反射特性FBG波长检测常用的主要是通过反射光谱检测模式，表征FBG光学性能的主要指标有：(1)中心波长的反射率；(2)反射带的带宽；(3)光栅边模抑制。 选用具有合适峰值的反射率和反射带宽的PBG有助于改善系统传感性能。如图2.3所示FBG的反射光谱。图2 3 FBG &射光if(1) 中心波长的反射率。中心波长的反射率越高，返回测量系统的光功率 越大，测量的距离长。反射率小，噪声对其影响就越大。反射率决定了信号的强度。对于FBG专感器测量，一般情况下，推荐其反射率应大于90%另外， 反射率的高低

10、可以作为波分复用系统中FBG传感器的辅助指标，有利于扩大单个FBG的测量范围。当FBG专感器长度不变时，反射率随折射率调制深度 的增加而增加。当FBG专感器长度较短时，反射率随调制深度的关系呈线性 ； 长度较长时，反射率随调制深度的增加很快达到饱和。(2) 反射带的带宽。FBG的带宽为FBG反射光谱中反射率下降一半所对应的 波长范围，反映了监测的精度。窄带宽有助于区分被测量的微小移动，因此为了获得较高的分辨率，带宽越小精度越高。目前由于制作上技术的，最合 理的带宽为0.2nm 0.3nm。0.2nm的谱宽对应的测量误差为：当测量应力时， =200pm/(1.2pm/ustrain)=167us

11、train;当测量温度时，=200pm/(13pm/E )=15 C。当折射率调制深度不变时，反射率随 FBG长度的增 加而增加，反射带宽随FBG长度增加而减小。FBG的长度决定了测点的精度， 长度越小，测量点越准确。但FBG的长度同时又与反射谱的反射率有关，FBG 越短，反射率越低。因此适当的平衡这些条件的关系是FBG传感器制作的关(3) 边模抑制。在FBG反射谱中两边存在许多次峰。在监测的过程中，对 于一个两边有许多次峰的FBG传感器，光纤查询仪就会错误的把某些旁瓣作 峰值，影响测量结果，因此，FBG传感器的边模抑制也是对监测结果的一个重 要指标。3. 测温方法FBG传感技术是通过对在光纤

12、内部写入的光栅反射或透射布拉格波长光 谱的检测，来实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。而FBG的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期 A和纤芯的有效折射率 nff,任何使这两 个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移(见图3.1)。在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，最直接的是应变参量，因为无 论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期A的变化，并且光纤本 身所具有弹光效应使得有效折射率nof也随外界应变状态的变化而变化，这为采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性3。当宽光谱光源照射光纤时，由于光栅的作用，在布拉格波长处的一个窄 带光谱部分将被反射

13、回来。作用在光纤光栅上的温度是两个能够直接导致布拉格中心波长漂移的物 理量，由温度引起的总的波长漂移可表示为：辑入信号图3.1光线光栅工作原理图(3.1 )b=入 b( 1- p0) A + 入 b( a + E ) T式中A 轴向应变变化量；A T温度的变化量；a , B 分别是光纤的热膨胀系数和热光系数；p0光纤的有效弹光系数。在实际的应用中，可以采用试验的方法分别测定光纤光栅的应变灵敏度系数和温度灵敏系数，贝仙温度变化引起的总的布拉格中心波长漂移如下式：A 入 B=K A +KT A T(3.2 )式中的K和KT分别为传感器的应变灵敏系数和温度灵敏系数，都可以通过 试验来获得。因此，通过

14、波长位移测量即可获得应变和温度的变化数据。由 式(3.1)可知,FBG应变传感器是以光的波长为最小计量单位的,而目前对FBG波长移动的探测达到了 pm量级的高分辨率。因而其具有测量灵敏度高的 特点，而且只需要探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置，与光强无关，对光强的波动不敏感，比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力。 由于拉、压应力都能对其产生布拉格波长的变化，因此该传感器在结构检测 中具有优异的变形匹配特性，其动态范围大、线性度好。另一方面，在应变 测量中，为了克服温度对测量的影响，可以通过在测量系统中采用同种温度 环境下的FBG温度补偿传感器来进行克服。3.1 FBG传感器温度传感原

15、理根据FBG反射的波长条件：入=2n A,可以看出，它反射的Bragg波长 与写入栅距和纤芯有效折射率有关。而外部环境因素的应力和温度，都能使 得FBG的栅距和折射率在一定程度上发生改变。FBG就是通过感知到温度的 变化，导致中心波长的偏移，来实现对温度的测量。温度发生变化，光纤材料的热膨胀会使得光纤的栅距发生变化；而FBG所 具有的热光效应同样也会引起光纤折射率的变化。把中心波长看作是温度和 应变的函数，根据公式2.3，对波长求偏导，可得：(3.1 )其中 匸为线性热膨胀系数，对于惨锗石英光纤，其值为5.5*10-7，C1怙 眇 为热光系数，硅纤中的热光系数为 6.67*10-6 C-1。从

16、以上数据显示，温度变化引起的 FBG波长漂移主要取决于热光效应，它占了热漂移的95%3.2 FBG传感系统和光纤传感网络的组成3.2.1 FBG传感系统FBG传感监测系统主要有两大部分组成:FSG传感器，FBG解调设备。如图3.2，当一束宽带光源，通过耦合器经过FBG满足布拉格反射条件：入二 2n A的光波被反射，被解调仪探测到。如果外界温度或者应变发生变化，检 测到的波长也相应的发生漂移，通过波长的漂移量便可获得结构的应变信息。（其中n为FBG纤芯的有效折射率，A为FBG的栅距）反射的布拉格波长与FBG 的折射率和其栅距有关。耦合器图3.2 FBG传感系统最常用的模式解调模式是采用反射光检测

17、波长，其优点在于它将传感单 元和辅助装置分离。在实际应用中，只需要将FBG传感器埋入，粘结安装即可，现场无需电源，具有良好的抗电磁干扰能力。3.2.2 FBG复用传感网络FSG传感最大的一个特点就是易于在一根光纤上写入或者串接多个光栅， 形成多点测量的FBG传感网络。FBGf专感网络一般有三种形式：波分复用技术, 时分复用技术和空分复用技术。下面对这三种技术作个简单的介绍。光逊利I慣XT M 制&初单元(1) 波分复用：在光源可用波长范围内，给每个传感光栅一个独特的波长区 间，每个FBG的反射峰在各自的波长区间内变化。反射光包含多个尖峰，通 过解调仪检测各个波长的漂移值。如图 3.3所示。1川

18、|图3.3波分复用技术(2) 空分复用：每个传感FBG都单独分配一个传输通道，每次仅一个通道被选通。需要测量哪个 FBG的特性，将相应的通道接通即可。从耦合器出来 的光经过光开关分成多路光纤，每个光纤上具有相同Bragg波长的光纤传感器。在测量时，由光开关切换，在不同的时间，分路监测FBG传感器的波长。(3) 时分复用：光源按照脉冲方式工作，每一个传感 FBG都有不同的时延。 光源发出一个短脉冲后，波长检测系统能收到多个光脉冲，每个都对应不同 的时延和不同的传感光栅。根据时延值就可以区分不同的光栅。目前，FBG应变传感网络一般采用波分复用技术和时分复用技术相结合的 方式。波分复用技术的优点在于

19、能够同时测量多个波长光栅传感器，但是由 于受到宽带光源带宽和解调系统的能力的限制，每个光纤上所连接的光栅最 多达到数十个。时分复用技术虽然对于连接的FBG数目不受限制，但是增加了时间复杂度，在限定的时间内完成传感，需要提高光开光的速度和解调仪 的速度。因此，对于复杂结构，测点要求布设很多的情况下，需要采用波分 复用和时分复用两者的结合来满足监测的需要。4. 结论本文阐述了 FBG专感器的发展现状及应用，总结了目前国内外 FBG专感器 研究的三个方向，首先从FBG专感的光学原理出发，简要的阐述了 FBG专感器 模式偶合的传感机制，及影响FBG专感器性能的重要参数指标。同时从 FBG专 输理论出发，描述了 FBG专感器温度传感特性，以及整个FBG专感网络的组成 系统。目前应用