光纤传感原理PPT学习教案

1、会计学1光纤传感原理光纤传感原理北京交大光信息所2温度传感应温度传感应用用1effBn2TBB)(T1热光系数Tneff热膨胀系数第1页/共32页北京交大光信息所3n 一般=5.510-7K-1；=70010-6K-1如果光纤光栅的Bragg波长为l550nm，请计算光纤光栅的温度灵敏度光纤光栅的温度灵敏度为光纤光栅的温度灵敏度为0.0117nm/0.0117nm/，一般，一般取取0.01nm/0.01nm/ 。第2页/共32页北京交大光信息所4TkpeBB)1(subep弹光系数sub)1 (epkTkBB第3页/共32页北京交大光信息所5第4页/共32页北京交大光信息所6封封装装1 1第5

2、页/共32页北京交大光信息所7第6页/共32页北京交大光信息所8封封装装2 2第7页/共32页北京交大光信息所9增敏作用在光纤光栅上后引起的波长变化为第8页/共32页北京交大光信息所10u 在提高温度传感器的灵敏度时，一方面可以通过增大两种基底材料的热伸缩系数差；另一方面，在两种基底材料选定或材料的可选伸缩系数有限的情况下，可以通过改变增敏结构即增大ld的比值来提高传感器的灵敏度。这样，增敏系数就不完全依赖于基底材料，通过调整结构同样可以实现灵敏度的提高。同时由热光效应和弹性效应引起的光纤光栅本身的波长变化:第9页/共32页北京交大光信息所11金属套管选用铝套，长度为l+d=40 mm，热伸缩

3、系数为a1=2310-6/K；石英管长度为l=12 mm，热伸缩系数为a2=5.510-7/K，光纤光栅两固定端的距离为d=28mm，选用在常温25时的工作波长为1551.07 nm的光栅。计算得结构增敏后的光栅温度传感器的理论灵敏度为0.0506nm/。下图是对结构增敏方法的实验结果，传感器增敏后的灵敏度为0.0503nm/ ，与实际理论计算值十分接近，其增敏效果是不采用增敏效果的方法的5倍，是采用基底增敏方法的1.3倍。第10页/共32页北京交大光信息所12n 对采用3种不同增敏方法的结果比较，可以看出：裸光纤光栅的温度灵敏度最低，采用基底增敏的次之，而结构增敏方式的灵敏度最高。第11页/

4、共32页北京交大光信息所13应力传应力传感感2第12页/共32页北京交大光信息所14u 分别表示一阶应变和二阶应变灵敏度第13页/共32页北京交大光信息所15第14页/共32页北京交大光信息所16 对纯熔融石英光纤，P11=0.121，P12=0.270， =0.17，neff=1.456，计算得有效弹光系数Pe =0.216，因此，一阶应变灵敏度为0.784，二阶应变灵敏度为0.708。中心波长相对变化量为：n 当光纤光栅应变在一5000一5000范围内变化时，上式第二项量值非常小，最大值仅为8.8510-6，是第一项的0.226。因而在工程上，应变和中心波长相对偏移量之间的关系可以看作是线

5、性关系。即使应变值达到最大值10000tn，忽略第二项所引入的误差也仅为551o，同样可以认为应变和中心波长相对偏移量之间是线性关系。第15页/共32页北京交大光信息所17第16页/共32页北京交大光信息所18结结构构1 1悬臂梁为一端固定，另一端自由的弹性梁。将光纤光栅粘贴在矩形弹性梁的上表面，紧紧靠近固定端根部。如图所示，设梁的长度为L，厚度为h。第17页/共32页北京交大光信息所19l 轴向应变与自由端位移f的关系为：l 自由端位移f与波长变化的关系：第18页/共32页北京交大光信息所20l 光纤Bragg光栅应变传感及解调装置l 实验结果：第19页/共32页北京交大光信息所21l 实际

6、应用： 光纤Bragg光栅被预制在一混凝土悬臂梁的上或下表面内 由激光二极管(SLD)，波长850nm，谱宽24nm，功率114w，发出的光波被3dB耦合器耦合进光纤光栅中，与Bragg光栅光波长相一致的光被反射耦合进入多模光纤(芯径5Onm)，被测信号到Michelson干涉后进行信号处理。第20页/共32页北京交大光信息所22结结构构2 2根据材料力学，单悬梁的自由端在载荷的作用下，自由端既产生挠度，又产生转角，而且抗扭能力差。而对于上图的双悬梁结构，梁端部在载荷的作用下，其端部将近似产生平动，并且抗扭刚度显著大幅度提高，梁截弯矩较同尺寸单悬臂梁增大一倍。 双悬梁的光纤光栅压力传感双悬梁的

7、光纤光栅压力传感第21页/共32页北京交大光信息所23l 梁的自由端施加载荷P时，引起梁的自由端面发生的最大应变为：u 梁的厚度为a，宽度为b，长度为L，h(远大于梁的厚度a)为梁间距。l 光栅中心波长随应力变化而产生的变化为：第22页/共32页北京交大光信息所24实实验验装装置置实实验验结结果果第23页/共32页北京交大光信息所25n 在0300 g范围内，光纤Bragg光栅应力响应灵敏度达到0.05 nmN，且光纤Bragg光栅应力响应特性较好，线性拟合度达到了0.9996，测量误差小重复实验，压力响应趋势基本保持不变，重复性较好，通过改变双悬梁的厚度、长度和弹性模量，则可以大幅度提高梁表

8、面的应变值，从而进一步提高应力响应灵敏度实验结论实验结论第24页/共32页北京交大光信息所26v 光纤光栅对温度和应力同时敏感，这一问题严重困扰着光纤光栅传感器在传感领域中的应用。v 克服光纤光栅对温度和应力交叉敏感的方案主要有： 重叠写入不同周期布拉格光栅， 采用不同聚合物封装光纤光栅， 使用温度补偿的光纤光栅组合 长周期 FBG组合等以实现对温度和应力的区分测量。 温度补偿光纤光栅应力传感测量技术温度补偿光纤光栅应力传感测量技术第25页/共32页北京交大光信息所27结结构构3 3v 一种新的温度补偿光纤光栅传感器应力测量方案，是将单个光纤布拉格光栅粘贴在应力分布不同的悬臂梁上。由于应力分布

9、不同而使光纤光栅反射波长产生的两个反射峰的情况进行研究，证明两个反射峰之间的距离与应力的变化呈线性关系，而温度不影响光栅反射峰之间距离。利用这种效应，可以制成温度补偿的光纤光栅传感器，实现对应力(或压力)单参量的测量。悬臂梁由铝合金材料制成光纤光栅用高强度粘接剂粘贴于悬臂梁上表面第26页/共32页北京交大光信息所28l 自由端载荷G引起的梁上考察点X0处的应变为: I为X0处截面的惯性矩l 粘贴在不同区域的一个光纤光栅受到不同应力，光纤光栅的两部分分别产生应变1和2，引起整个栅距变化及光纤有效折射率变化不同，导致光纤光栅出现两个反射峰，并且这两个反射峰中心波长随应力和温度变化产生漂移。第27页/共32页北京交大光信息所29l 两个反射峰中心波长之间距离随温度和载荷的变化为: l 温度变化会导致两个反射峰同时移动，但由于整个光纤光栅是粘贴于同一种材料即铝合金基底上，热膨胀系数相同，所以温度改变时光纤光栅两个反射峰之间距离保持不变