光纤机械量传感器

第六章光纤机械量传感器光纤机械量传感器可分为传光型(非功能型)和传感型(功能型)两类。其调制方式可以是光强调制、相位调制、偏振调制以及频率调制等。

传光型强度调制光纤传感器使用的调制技术分外调制和内调制。外调制技术由外加敏感元件控制光源传输到探测器的光量。外加敏感元件可以是透射式的．拆射率式的和反射式的。

透射式敏感元件对传输光的影响，实际上是一种对被测物理量的模拟及开关测量。

反射式光纤敏感元件通常是由入射光传输光纤和反射光收集光纤制成一光纤束。

强度调制光纤传感器的内调制技术是指无需外加敏感元件，而靠改变光纤自身的传输特性来实现传输光强度调制。其中最典型的是利用微弯效应实现光强调制。当光纤存在微弯曲时，光纤芯中的传导模就会逸出到包层成为包层模，从而使传输光能量衰减。如果光纤的微弯曲是由外施力或压力产生的，接收光强变化就与生成光纤形变的物理量有关。6.2光纤位移传感器光纤位移传感器可分为外调制式和内调制式两类。

6.2.1外调制式位移传感器

透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤，并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根光纤输出，通过两根光纤间微小空隙，进入另一根光纤。6.2.2内调制式位移传感器

利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式锅台，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器.理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期性微弯时，传播常数为和的模之间就会产生光功率的耦合。波纹板周期的长度Λ与传播常数间满足下式：He—Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有被复层，数值孔径等于0.22.在变形器前5cm长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包层模中的光。变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有5个波纹，每个波纹的长度为3M。变形器的一块波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态位移。用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中的光信号。该检测器的6个内表面安装着6个太阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表读数、而交流输出用锁相放大器检测．并由记录仪记录放大器的输出。传感器的技术指标:1．灵敏度2．线性度3．噪声4．信噪比6.2.3相位干涉式位移传感器

Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。可以用于测量位移，其工作原理如图5—22

外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折射率n变化。为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏”特性，而参考光纤涂复材料对传感量具有“去敏”特性。这样可以有效提高检测信噪比。当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量，如磁场、电流、电压等的检测。6.3光纤压力和水声传感器

测量压力和水声，通常可以采用反射式或微弯型光强调制光纤传感器，也可以采用相位调制光纤传感器和偏振调制光纤传感器。6.3.1全内反射光纤压力传惑器6.3.2微弯曲光纤水声传感器6.3理.3筝动享态压力淘传感器这种压力期传感器的恐灵敏度极氧高，有很认大的实用拆价值．尤火其适用于筒微声压的哑测量，对闪测量空间稀尺寸受限兄场合应用壤更是优越凑。它的工狸作带宽从寻直流可到胆20M广Hz.6.3.桌4偏绒振调制光葡纤压力和孙水声传感估器6.4歪光纤应惊变传感极器采用脉然冲传输里时间法仆可以测爱量自由晨空间光餐路的长胀度。这柱种方法挨通过测勤量光信精号到达控靶体又顺反射回答来所占岂用的时协间来确模定光经偏过的距旗离。用光纤面做测量渔光路，劈燕传输时貌间法可玩适用于载任意弯耀曲光路讨及其变目化的测敲量。系统的振筹荡周期为式中L是斗光纤长度姜；Ng=栏c/Vg辉是光纤群邪速度折射绘率；τel是放大器紧、鉴别器漫和导线产泛生的电延庆迟时间，如果忽略拿材料色散何，即Ng争＝N，由屠弹性光学说理论可以宴求得式中Pij是平均应浸变光弹系圆数；γ是游材料的泊栋松比。6.5授光呼纤表面杆粗糙度戴传感器用光纤测应量表面粗猾糙度，主棉要是利用远它对光信扯导的传输懒特性。6.6墨光纤加硬速度传感症器加速度有陶各种形式翁．如直线晴加速度，寇曲线加速杏度及振动例加速度等此。光纤加闸速度传感赵器最适合妻测量微小迎振动加速霜度。6.6.限1振辣动加速度欢传感器原赚理当低频振支动时，Δ妙x与惯性荒力成比例止．即与物撒体的振动球加速度成哄比例。当振动频品率提高到羞振动子的皇固有振动拍频率时，懂产生共振派。这时距尼离x与加五速度不存高在比例关主系。如果振动锣频率再进暴一步提高江．重物就广停止振动划，呈现相丑对静止状诱态。只有宫位移。6.6.咏2相俱位调制光廉纤加速度搭传感器让加速度著计的外壳林以加速度志a垂直向虽上运动，貌那么在加叉速该物体薄所需的作坑用力F的恐作用下，菊上面的一牲段光纤伸再长ΔL，峡下面的光浩纤则缩短叠ΔL。这薄一过程可果表示为式中A是陡光纤的横凝截面积。测ΔT是恨每根光纤光中拉应力脆变化的幅摘度；系数虚2是由于曾存在两根睡伸长和缩脉短光纤。篇E是光纤托的杨氏模铲量。光束通免过光程昼L的相冰移可用券下式表段示6.7北光烦纤振动曲传感器光纤振动弓传感器常滴用于现场条监测，测筛量的频率紫范围为2荷0~20爬0Hz，誉测量的振遥幅为数微哄米到百分睁之几微米弃，6.7.夏1相渴位调制光续纤振动传册感器*光乱纤光栅极传感器光纤光栅户传感器(FBG锅)是利用Bra至gg波长对温晋度、应力套的敏感特扫性而制成烤的一种新咽型的光纤咸传感器。光纤光栅鞠工作原理λ1λ2…λn芯层包层Λ包层折射率n2芯层折射率n1感光折射率nλ1λ2…λn芯层包层+1级-1级紫外掩模郊写入法相位掩模赔板1、逼光纤布粉喇格光造栅原理光纤布喇弊格光栅的捆原理是由显于光纤芯象区折射率昼周期变化第造成光纤估波导条件钉的改变，盐导致一定践波长的光狼波发生相再应的模式便祸合，使杰得其透射肌光谱和反按射光谱对榴该波长出双现奇异性滑，图5犬.1表无示了其折刑射率分布畏模型。整暴个光纤曝让光区域的皮折射率分腿布可表示袄为：式中F(r,牌φ,z）为光致折妹射率变化院函数，具闲有如下特质性：式中a1为光纤纤析芯半径；随a2为光纤鱼包层半状径，相朽应的动n1为纤芯初膝始折射率篇；n2为包层折会射率；圾△n(r,φ版,z）为光致底折射率拦变化；躁△nmax为折射率动最大变化演量。因为拜制作光纤按光栅时需碍要去掉包直层，所以育这里的n3一般指皱空气折吧射率。杰之所以薪式中出梯现r和φ坐标项肆，是为龙了描述皱折射率抬分布在核横截面裕上的精浆细结构洽。为了给居出F(r冰,φ,加z）的一般形戴式，必须盒对引起这锣种折射率伟变化的光凝波场进行党详尽分析仁。目前采对用的各类专写入方法痒中，紫外迎光波在光姑纤芯区沿婚径向的光泡场能量分艳布大致可化分为如下讲几类：均型匀正弦型掉、非均匀劳正弦型、傲均匀方波干型和非均晕匀方波型动。从目前惯的实际应彼用来看，拨非均匀性凳主要包括眨光栅周期鲜及折射率咐调制沿由Z轴的烦渐变性、舞折射率调钟制在横截泄面上的非糊均匀分布岩等，它们她分别可以鞠采用对光删栅传播常妙数kg修正——芝与Z蛮相关的渐给变函数φ(z)，以及灭采用陈△n(订r）代丹表折射蛙率调制革来描述箩。为了更全煌面地描述集光致折射坐率的变化览函数，可恐以直接采坑用傅里叶贞级数的形缝式对折射处率周期变看化和准周布期变化进炭行分解。韵基于这些闻考虑，可澡以采用下啄列一般性桥函数来描嫂述光致折队射率变化代：式中Fo(签r,φ嗓,z）表示由于燃纤芯对紫情外光的吸滴收作用而合造成的光旋纤横向截镰面曝光不唇均匀性，赢或其他因宫素造成的叮光栅轴向茶折射率调杆制不均匀娘性，并有Fo(荒r,φ资,z）max＝l猫,孟这些不伞均匀性凡将会影妻响到传馆输光波杀的偏振徒及色散忘特性；kg＝2把π／Λ婶为光栅汁的传播酒常数；期Λ为光末栅周期寄；q雷为非鼠正弦分般布（如谦方波分骗布）时聋进行傅孩里叶展拘开得到牙的谐波样阶数，宝它将导垮致高阶愚布喇格归波长的柔反向耦食合；朗aq为展开系右数；φ(z锤)为表示周睡期非均匀月性的渐变舱函数。正善因为φ(z)的渐变性挤，我们可波以将它看英作一“准伙周期”函若数。对包含有φ(z)的非正弦打分布也进抖行了类似锣于周期函百数的傅里真叶展开可句以得到光呢栅区的实塘际折射率授分布为该式即暂为光纤择布喇格拣光栅的绩折射率永调制函债数，它僵给出了列光纤光泡栅的理秒论模型汇，是分它析光纤闪光栅特料性的基胞础。2、光坛纤布喇格冰光栅传感孔原理光纤光卵栅纤芯盈中的折公射率调刷制周期呢由下式蛙给出：这里λUV是紫外拍光源波步长，汉θ是两悔相干光凑束之间备的夹角楚。由于周粮期的折拔射率扰埋动仅会筑对很窄日的一小荡段光谱服产生影黄响。因潮此，如熄果宽带扑光波在钩光栅中卖传播时价，入射秃光能在桃相应的努频率上疲被反射愈回来，梅其余的凤透射光挖谱则不梦受影响债，光纤柴光栅就棍起到反殖射镜的尤作用。屯这类调歇谐波长浸反射现德象首先额是由威谊廉•布聚喇格爵卧士给出击解释的浮，因而遇这种光马纤光栅窜被称为检布喇格稍光纤光架栅，其蜡反射条般件被称良为布喇顿格条件钢。在B瓶rag早g光栅劣中，反痒射的中民心波长惰由下式芽确定：其中尼neff是光纤个芯区有罢效折射黄率。Λ是光纤触光栅的栅测距即周期陈。只有满足卷布拉格条抱件的光波碌才能被布钢喇格光栅宝反射。对宾上式取微窗分可得：从式中婆可以看花出，当票外界的往应力发烧生改变阿时，将禾会导致贴光纤光辩栅的Λ线或者neff的改变禁，因而东检测光乓纤光栅弦中心反存射波长顶的变化纳，可以额获知外闲界应力警的变化冲。设两列欣波沿着节同一方继向传播井，其传用播常数纲分别为呼β0和β1，如果劝满足布璃喇格相脆位匹配槐条件：尽其中Λ为生光栅周期舒，则一属个波的能千量可以耦趋合到另一饰个波中去杆。在反射型拥滤波器中蠢，我们假屯设传播常绘数为β0的光波从抱左向右传华播，如果吃满足条件阀：则这个光泻波的能量怠可以耦合法到沿它的班反方向传闯播的具有筋相同波长布的反射光杆中去。设β0=2π找neff/λ0，其中尚λ0为输入押光的波服长，neff为波导或发光纤的有岁效折射率拖。也就是建说，如果λ0=2neffΛ，光波将种发生反私射，这直个波长渗λ0就称作布喇格洗波长。紫外掩安模写入要法相位掩模队板芯层包层+1级-1级光纤光劈燕栅的栅经距Λ可丸通过改社变写入畜光栅的信两相干部紫外光昆束的相丙对角度霞得到调贴整，从泰而可以揪制作出家不同反棵射波长铅的Br坐agg别光栅。光纤光淡栅应变贡传感器扇的基本集原理是形：当光陪栅周围汁的应力智或者应钉变发生然变化时忆，将导乳致光栅漆周期或青纤芯折迈射率发方生变化事，从而称产生光帮栅B诵rag洽g信喝号的波抱长位移喜△λ储，通过渔监测艳Bra霜gg域波长位践移情况门，即可孤获得栅苗周围的赖应力或捞者应变旅变化情立况。由外界喊应力引尤起光纤来光栅轴柜向应变遭和折射秆率变化算造成光项栅布拉将格反射队波长移书动，由哪下式给公出：这里λB是光栅布悄拉格反射妙波长，△λB为在外概界应力理作用下风光栅布霜拉格反刊射波长讽移动量和，ε是光纤轴俱向应变，梦可表示为投：在实际尿应用中疾，ε是个很小牛的量，为根此引入应痛变量的1阔0-6，με萍作为光蝴纤光栅休度量单耐位。FBG所具有的少多传感器尼复用能力舒，使它在昨准分布测之量、多参枣数组合测咱量等方面穿显现了非负常诱人的占前景，因妇而在复合粪材料固化全监控、大穗型土建结恒构内部应奖变分布及雾大型电力饼设备内部冤温度分布丹状态监控广等方面具更有广泛的最应用前景路。光连接器调制解调器显示仪表计算机使用现场控制室内传输光缆连接光缆FBG探头光纤光虽栅监测予报警系游统结构财示意图3、根光纤布泳喇格光切栅解调习原理光纤布不喇格光替栅的解臭调有多芝种方法芒，下面乎介绍匹配光俯纤光栅骗解调法。匹配光菊纤光栅检设测信号的铃基本原理事如下图所碰示，其中邮左图为传损感光栅与芦解调光栅薯的配置，戚右图为两饮光栅的反饺射谱及检蹈测到的信未号．选用一肥个与传税感光纤捆光栅止FBG1参数相近叮的光纤光生栅FB近G2（匹配窜光栅）肤作为检酷测光栅反，使两纸个光栅统的反射凉谱部分苏重叠，螺即设置仁合适的姻偏置．城传感光恶纤光栅哨的输出耐信号为疫检测光朴纤光栅狮的输入临信号。烘输出信萍号、输稼入信号薯都隐含兴在光纤皮光栅的桌反射谱缴和透射螺谱中。当传感水光纤光衡栅受到趋应变的姿微扰时馅，其输务出的反忽射谱在次一定范橡围内漂枝移，如堡左图所岩示；解舰调光栅赛的反射听谱是相交对固定静的，传滑感光栅爽的输出胖反射谱勺输入给毛解调光确栅时，迹只有与佳两光栅洽的反射酱谱重叠轨部分相乡丰对应的忽范围内扇的光波冶才可能化被反射乒，而重滋叠部分督的面积焰与反射姥谱的光狭强度成滤正比．当两光片栅反射赌谱重叠截面积较煌大时，济探测器孙探测到秤的光信挣号较大乳，反之熔则较小滔，即检草测器检单测到的哈光强是锅检测光股纤光栅晕FB滋G1和匹配石光纤光型栅FB复G2两个光议谱函数局的卷积丝式。随着希FB旨G1上的微观扰，在剑FB忽G2的反射谱抹中可检测睛到相对应姑的一定光搁强度的光坛信号。F-P恐腔波长我滤波解国调原理法布里负—珀罗赠腔(F额-P腔渔)的光辞学原理查是多光骗束干涉烛，在一编定波长屡范围内坡，若以笑平行光触入射到艳F-P驻腔,则睬只有满勿足相干备条件的责某些特军定波长炎产生相偏干极大件，原理睡如图1厨所示,赶由于光的入射挡产生了多贼个反射光励束1，2，3，..无和多个质透射光诱束，，愤..，其透射光妹强:其中δ为慨相邻两光增束相位差当相位炎差δ=已2kπ相(k=匙1,2城,3.挤..)晓时，入射光沙完全透但射，透馋射光最完强。因此解调怖装置多采绩用调谐腔盒长的方法矛，在透射须光强达到夺最大值时去可求出入未射波长。调制解调事器工作原奸理简图光纤光栅羊分布传感王技术是先霸进传感技谅术发展的雅新阶段，森它满足了氏现代结构讲监测的高布精度、远示距离、分劳布式和长兼期性的技锤术要求。光纤光夕栅不仅慰具有光贷纤的小轧巧、柔敌软、抗颂干扰能嫌力强、摄集传感酬与传输未于一体索、易于块制作和凯埋入等黎优点，乎而且光疫栅具有崭波长分弯离能力杨强、对逼环境干愿扰不敏净感、传螺感精度爽和灵敏初度极高跃、能绝型对数字骆测量和后精确定坛位的优帜点。特别是它族可实现分俯布传感，锻即在一根估光纤上根助据应用要丙求刻写多和个不同布葡喇格波长拖的光栅，有在光纤一馆端实现所读有光栅信乏号的检测殃；同时能挡进一步集冲合成分布义传感网络尿系统，可循广泛应用铅于对工程燃结构的应膝力、应变镰、温度等企参数以及闯内部裂缝控、变形等学参数的实束时在线、婶分布式检畅测。目前，应蹦用光纤光绩栅传感器犯最多的领慎域当数桥远梁的安全关监测。加毅拿大卡尔熟加里附近鞋的Bed孟ding嫌ton督Trai绞l大桥庙是最早使处用光纤光亭栅传感器陪进行测量贵的桥梁之蛇一（19娱93年）搅，16个群光纤光栅搏传感器贴误在预应力惜混凝土支歉撑的钢增蛾强杆和炭坦纤复合材垄料筋上，虏对桥梁结吗构进行长察期监测，接这在以前碗被认为是枣不可能的姥。1999年夏，茫在美国撑新墨西个哥Las未Cruc须es10号周济高递速公路的滩一座钢结潮构桥梁上耍，安装了120个光纤光胳栅传感器扣，创造了蜡当时在一娇座桥梁上局使用光纤拆光栅传感灶器最多的眠记录。这者座桥梁于1970年建成敬，现在塞已经出灾现了许风多疲劳颜裂纹。靠这套光袍纤光栅肿传感系颠统不仅田可以对将标准车坦辆进行泥探测和沿计数，挎而且可叛以测量配车辆的博速度和乡丰重量，廊有了此符系统，阔就能监夫视动态螺荷载引帮起的结烤构响应郑、退化谅和损坏故，了解恒桥梁对框交通响均应的长铺期变化膛。美国巴特戒勒县建造犹的全复合计材料桥梁伙埋入了光哥纤光栅应免变传感器墓，可有规信律的监视偿桥梁的荷螺载响应和絮长期性能言。佛蒙特爽大学用拦光纤光与栅传感将器监测恢沃特伯雷里佛蒙车特钢构驳架大桥不。俄勒落冈哥伦爹比亚河胖谷的H拾ors汉eta槐il岔fal诵l桥也援安装了待28个晶光纤光栽栅传感阿器来监托视桥梁钓结构情悠况。德国德累啄斯顿附近勿的预应力执混凝土桥洁、比利时浇跟特环城捎运河预应荣力混凝土病桥梁、瑞午士洛桑附猫近的Va僻ux箱形立梁高架桥狐、瑞士温梳特图尔的偷Stor迹ck桥、传加拿大温亿尼伯湖附削近的Ta厨ylor堆桥都使用馆了光纤光怕栅传感器拢进行监测桌。武汉理傲工大学自光纤中竭心作为余国家唯仅一的光参纤传感稠技术工型业试验温基地，购依托在少国内技训术领先涂的优势筹和本校壤在工程慎结构、较光电子牌学、信涉息科学阿、材料柔科学等参领域的柴多学科朱优势，宴以结构先工程监用测技术单为突破控口，以惹工程应基用为根享本，从求九十年棋代初期杜在国内迟率先开含展了研株究，取误得了一惭系列的诵研究成慈果，成锈功地开鬼发出多郊种光纤桐传感监帆测系统盐。1.深圳市伯民中心搜大厦光戚纤光栅震智能健误康监测哲系统；2.襄樊汉江驰四桥锚索伴光纤光栅纺应力监测阵系统；3.宝钢一游炼钢厂胶吊车行忆架光纤替光栅应坦力分布执测量系顶统；4.巴东长球江大桥稀双塔光沟纤光栅苍和应力胡施工监桂测系统竟长可期智贺能健康请监测系俊统；5.海口世纪筑大桥光纤我光栅长期拨健康监测惹系统；6.贵阳冷饭怕盒大桥光如纤光栅预利应力施工墨监控系统仆及长期智拢能健康系窄统。SYG邪—E粒光纤光侍栅解调柳实验仪1概述SYG—裳E光纤货光栅实验映仪是用于久光纤光栅馆解调实验响的专用仪藏器。该实微验仪外接很不同的光这栅传感探习头就可以接进行不同絮的光栅解姿调实验，妥例如当它搏外接光栅嘴测温探头炒时可以进流行光栅温摄度实验，创外接光栅钞应力探头傍时可进行祖光栅应力楼实验。2工作分原理本实验警仪的结穗构框图撕如下所断示，从春宽带光幼源发出昼的光经问祸合器洽传送到若FB蹦G传援感器。拖FB帽G传撇感器反肯射回的乖光经过赞耦合器泻引入到若可调谐逐F—拨P腔锡中。通仰过调节背螺旋测豪距仪，恩使透过滤F—饭P腔碗的光的幻玉波长发茫生改变聚。若酸F—P宣腔的揭透射波称长与世FBG钩的反暗射波长末重合，穗则探测吵器能探全测到最似大光强刊，根据逐此刻的单螺旋测仪距仪的统读数，愁通过查劈燕找“刻裙度一波今长对照阵表”，龙就可得挥到被测色光栅的朽中心波制长。SYG陡—E预光纤光棋栅实验理仪结构垃框图波长调徒节部分等的核心各为一个糊可调谐捐的法布僻里—泊搞罗腔（探F—锋P腔雪）。两厦个光纤德的端面粪和中间丢的空气期可以构璃成一个生F—副P腔孩，当一董定波长寨范围的民光平行沙入射到务F—杏P腔语时，只极有满足钉相干条尿件的某并些特定坝波长的欧光才能骑发生干圈涉，产横生相干迷极大。诵利用遗F—爷P腔裁的这个玻特性可疯以对动FBG佛传感购器的反他射波长朵进行检航测。两混光纤的先端面间今的距离拳可调时喷该F德—P贝腔构成墙一个可献调谐的料F—详P腔裁，反射晴波长可央变。(1辽）操作步揉骤将电源情线接好谜，开启爆电源开灵关；接土用暑于温度热或应力泉实验的副光纤光跪栅接头新，并且识将探头拘放入被暴测介质条中；从大到性小调节塑波长旋采钮，注应意观察皂实验仪前面板显痛示的数滴值；当出现了粉光强读数丸增加又减临小的趋势逆时，表示灰出现一个丈最大值，换精确调节盐至该最大木值，记下要此时的调穗节旋钮刻恳度；根据“刻绢度一波长像对照表”缴查出相应体的波长值乡丰，得到外绘接光纤光免栅的中心躺波长；撰写实匠验报告艇，绘制飘光强、盏刻度、赏波长关途系曲线茶。(3愉）注盗意事项1．但若外接班的被测伙光栅由佛于外界强因素（男例如温挺度或者歼应力）穷的变化扫导致被怒测光栅师的中心南波长发穴生变化税后，重路新测量伐时会发缴现此时袍相应的时刻度也吨会发生贝变化；2．顺龟时针调节锻旋钮，则递向内推进俘；逆时针触调节旋钮算则向外推公出。当向碎外调节到寄拧不动时荒表示已经根到达最大店范围，不絮可强拧。桂旋钮的最姻大可调范烂围为l填m