实验力学第6章-1

6.1光纤传感器(FOS，FiberOpticalSensor)第6章现代测试技术

课程《实验》1.光纤导光的基本原理

1).光纤结构6.1.1.光纤的基本概念40-50um裸光纤5-10μm2－3mm高锟2009诺贝尔物理学奖2).菲涅尔折射定理n1n2θrθi(a)光的折射示意图n1sinθi=n2sinθrn1n2θr=90ºθi0(b)临界状态示意图

n1n2θrθi(c)光全反射示意图

θi0=arcsin(n2/n1)θi>θi0光由光密物质入射至光疏物质时，当n1＞n2，有θr＞θi

3).数值孔径NA(NumericalAperture,NA)光纤导光示意图θjθiθkθrABCDEFK00n0n2n1Gn0—空气折射率n1—纤芯折射率n2—包层折射率arcsin(NA)是一临界角,凡入射角θi＞arcsin(NA)的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；只有入射角θi<arcsin(NA)的光线才可进入光纤被全反射传播。θjθiθkθrABCDEFK00n0n2n1G2.光纤分类根据折射率分布函数:阶跃光纤、渐变（梯度）光纤阶跃光纤折射率分布函数梯度光纤折射率分布函数n1n2n(x)x2rn1n1n2n(x)x2rn1单模光纤（长距离）多模光纤（短距离）5-10μm50-60μm只传一种模式的光用激光做光源可传多种模式的光，耦合器及接线器按传榆模数分类按材料分类高纯度石英玻璃纤维——通信光纤

低纯度玻璃光纤、塑料光纤——医用、照明按用途分类通信光纤（SiO2）

非通信光纤（低纯度玻璃、塑料）2.光纤分类6.1.2.光纤传感器光纤信号处理系统光接收器敏感元件光发送器光纤传感器1.光纤传感器构成把被测量转变为可测的光信号的装置。根据光纤在传感器中作用：本征型、非本征型2.光纤传感器分类信号处理光接收器敏感元件光发送器光纤非本征型（传光型）传导信号处理光接收器光纤光发送器本征型（传感型）传导+

传感3.工作原理来自光源的光经光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用，导致光某些特性(强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制信号光，再经光纤送入光探测器，经解调器解调获得被测参数。调制器入射光纤出射光纤光源输出强度调制相位调制频率调制偏振态调制波长调制光的波动方程：根据光受被测对象的调制形式1）强度调制利用被测量变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强变化实现敏感测量的传感器。小位移调制、微弯损耗光强调制、吸收特性强度调制2）偏振调制-法拉第磁光效应、双折射效应3）频率调制-喇曼、多普勒效应、光致发光4）相位调制-磁致伸缩、电致伸缩、光弹效应5）波长调制-多点测量,解调技术复杂迈克尔逊光纤干涉仪原理图指标强度型相位型光栅（波长)精度低较高高加工工艺简单复杂较复杂成本低高较低技术成熟性成熟较成熟成熟可否分布测量(成网)可以不可以嵌入性（兼容性）可以较难很好线性度一般一般很好变形能力好差好性能稳定较好较好好耐久性好较好好监测参数多少多响应频率带宽宽窄宽信号解调设备简单复杂复杂三种光纤传感器定性比较结论：光纤光栅是局部监测的最佳选择4.光纤光栅传感器优点：

分布式或准分布式测量，多点或多参数测量；

探头尺寸小，直径与光纤等同,埋入测量；

波长调制，抗干扰能力强；

耐久性好，退火，15年；

传感传输一体，易于构成网络；

单根光纤单端检测，减少传输线；

抗电磁干扰，光在纤芯中传输；6.1.3.光纤光栅传感器1.基本概念定义：一段纤芯的折射率呈周期性变化的光纤。功能：相当于一个窄带反射镜，只反射某一波

长附近的光，其他光无损耗通过。分类：Bragg光栅、长周期光栅、啁啾光栅

˄Bragg光栅（反射光栅，短周期光栅）长周期光栅（透射光栅），周期为几十至几百μm啁啾光栅，周期不是常数分类：Bragg光栅、长周期光栅、啁啾光栅

透射光谱

光束1光束2布拉格光栅结构包层纤芯单模掺锗（硅）光纤经紫外光照射成栅技术形成。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹。2光纤Bragg光栅的成栅方法双光束干涉写入技术相位掩膜写入技术直接写入技术在线成栅技术光敏性：在244nm紫外光照射下，光纤折射率随光强发生永久变化的特性。（1）FBG传感器基本原理当一宽谱光源入射光纤Bragg光栅时，光栅将反射以布喇格波长λB

为中心波长的窄谱分量，其他的光透射。3.Bragg光栅

(FiberBraggGrating,FBG)

纤芯包层折射率

n2有效折射率neffΛ光栅周期折射率n1透射入射反射应变、温度的变化会引起FBG的周期(Λ)和有效折射率变化（neff），从而使FBG的反射波长变化。FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量检测。两边微分应变、温度的变化会引起FBG的周期(Λ)和有效折射率变化（neff），从而使FBG的反射波长变化。FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量检测。(1).FBG有效折射率变化

μ—纤芯的泊松比；P11,P12—纤芯材料的弹光系数。有效弹光系数1）FBG应变传感特性－温度不变轴向力作用下光纤光栅产生轴向应变ε(2).FBG光栅周期变化为(1).FBG光栅有效折射率变化为Bragg光栅应变灵敏度对于普通的石英光纤，1）FBG应变传感特性－温度不变则应变每变化1με，Bragg光栅波长漂移约为1.21pm只考虑温度变化

—热膨胀系数(1).由热膨胀效应引起的光栅周期变化为2）FBG温度传感特性－无应力条件下

(2).由热光效应引起的有效折射率的变化为—热光系数3）FBG传感器随应力与温度的同时变化忽略温度与应变之间的交叉敏感4）FBG传感器的温度和应变同时测量技术

FBG1FBG2a.参考光纤光栅法相同受外力作用不受外力作用,相同环境温度传感光栅参考光栅FBG1FBG2b.光栅叠加法光纤的相同位置刻不同中心波长的光栅相同受相同外力+环境温度作用4）FBG传感器的温度和应变同时测量技术

相同2套解调设备应变或温度宽带光源－ΣF-P腔

压电调节片扫描电压G1G2G3Gn5）光纤FBG光栅解调原理——波长解调

耦合器可调谐光纤法布里-珀罗（F-P)腔滤波器法单根光纤实现多点测量探测器高反射镜高反射镜最大光强G1G2G3Gn应变或温度宽带光源－ΣF-P腔

压电调节片扫描电压G1G2G3Gn耦合器单根光纤实现多点测量探测器高反射镜高反射镜最大光强6）光纤FBG光栅传感网络

宽带光源窄带滤波(F-P)波长扫描法波分复用技术λ1λ2λ3λn解调仪每通道可接光栅传感器个数(1个通道）一般解调仪波长范围△λ为50nm～70nm.光纤传感网络的实现

针对时分复用技术，开发针对桥梁光纤光栅传感网络的光开关控制程序。通过计算机R232串口控制光开关光路切换。该程序可以实现计算机对四台1×36光开关通道切换控制。可以从每台光开关36支光路中，选择待测光路，设置待测光路切换时间间隔与循环采集时间间隔。光开关最小切换时间间隔为10ms。光纤传感网络的实现337）光纤埋入FRP（FiberReinforcedPolymer/Plastic）筋的方法强度高耐腐蚀易布设工业化。。。FRP的力学性能和腐蚀特性光栅智能特性

FRP-OFBG结构材料功能材料（1）FRP-OFBG筋347）光纤埋入FRP筋的方法357）光纤埋入FRP筋的方法36

FRP-OFBG微观结构纵剖面

横截面

7）光纤埋入FRP筋的方法37FRP-OFBG筋力学特性试验CFRP-OFBG7）光纤埋入FRP筋的方法38温度标定试验7）光纤埋入FRP筋的方法（5）光纤光栅传感器的应用埋入式应变传感器焊接式应变传感器吸附式应变传感器-磁铁钢结构FRP-OFBG光纤光栅写入设备光纤光栅解调仪光纤光栅生产设备光纤光栅跳线头制作传感器耐久标定传感器温度标定传感器应变标定发光器（1）制作工艺（2）光纤光栅智能监测系统

光纤光栅监测系统构建

解调仪光发生器光开关光纤光栅智能监测软件DalianUniversityofTechnology448）传感器粘贴到金属表面的方法458）传感器粘贴到金属表面的方法打磨传感器布设玻璃布保护防腐保护光纤光栅应变传感器布设与保护工艺

469）传感器埋入到混凝土内部的方法479）传感器埋入到混凝土内部的方法（3）光纤光栅传感器的应用概况：

1）民用土木工程2）航天航空工程

3）船舶工程

4）电力工程

5）石油化工业

6）核工业

Sensor山东滨州黄河公路大桥（2004）三塔双索混凝土梁斜拉桥主桥全长768m，桥跨布置方案:84m(边跨)+300m(主跨)+84m，100对斜拉索。138支光纤光栅应变与温度传感器主梁截面应变测点布置图测点纵向受力钢筋处输油管线高铁轨道监测光纤布拉格光栅传感器的发展

光纤光栅传感器已经从试验室走向工程应用

1978

Hill

制作出第一根光栅

1989

Meltz发明紫外写入技术

1989

Morey研究了光纤光栅的应变与温度传感特性

1992

Prohaska用光纤光栅研究大跨混凝土结构应变

1997

Nellen布设FBGs在Lucerne与WinterhurStock大桥

1998Fuhr

埋入FBGs在Waterbury大桥面板上

1999

Udd

埋入FBGsHorsetailFalls大桥上

2001

欧进萍布设FBGs在黑龙江省呼兰河等大桥上

研究成果：光纤光栅温度敏感消除技术不同热膨胀系数材料法（Yoffe等，1995)负热膨胀系数的材料（Iwashima等，1997)

2)应变与温度双参量同时监测技术光栅重叠法（Xu等，1994）光栅焊接法(James等，1996)

偏振保持法

(Lawvence等，1996)

3)光纤光栅准分布式传感技术Rao(1996)11个光栅说明了布拉格传感网络的可行性与优越性。Davis(1996)等人用光栅阵列对复合材料包覆的混凝土圆柱体的拉压变形进行了测量，测得了3800的最大变形量。Dakin(1999)等人用光栅阵列对异质叠合板的疲劳应变场进行了测量。4)间接测量其他物理量光栅加速度传感器（Willsch等，2000）光栅剪应力传感器（Koulaxouzidis等，2000）光栅腐蚀传感器（Greene等，1997）光栅压力传感器（张颖等，2001）应用概况：

1）民用土木工程

1993，Udd16个FBG

加拿大BeddingtonTrail大桥进行测量，对光纤光栅的工程应用进行了有益的探索。1997，德国Meissner光栅埋入德累斯顿的一座跨度72米的预应力混凝土桥上变形监测1999，Nellen瑞典Sargan附近的隧道岩栓和Lucerne桥预应力索上光纤布拉格光栅传感器。布拉格光栅可以监测碳纤维高达8000的应变值1999，Seim、Udd美国Columbia河峡里HorsetailFalls桥上复合材料加固28个FBG，两年的健康监测。2001年，周智黑龙江省呼兰河大桥的预应力箱形大梁的施工光纤光栅传感器，施工与运营监测。2）航天航空工程

美国SmartFibresLt.飞机和航天器提供埋有光栅传感器的复合材料灵巧结构，以便于结构损伤探测、设计信息搜集、制造辅助控制、智能控制以及结构尺寸监测。美国国家航空和宇宙航行局，对航天飞机进行实时的健康监测。其应用对象为可重复使用运载火箭以及麦克唐纳-道格拉斯、波音北美和洛克菲德-马丁3个公司的复合材料燃料箱。德国1996年，戴姆勒-奔驰研究中心和戴姆勒-奔驰宇航空中客车以及宇航研究院共同研究光纤光栅自适应机翼。瑞典光学研究院用光纤光栅传感器开发用于监视战斗机复合材料结构的时分复用应变和温度测量系统。加拿大的一个光子研究小组提出用光纤光栅传感器测