第4章-波长调制型光纤传感器

光纤光栅波长调制型光纤传感器FiberOpticSensorsLecture6Min’sFiberOpticSensors光纤传感器的分类功能型•按照被调制的光波参数强度调制型相位/频率调制型波长调制型偏振调制型入射光波出射光波入射光波的特征参量：波长外界因素：温度，压力，电磁场，位移Min’sFiberOpticSensors5.5波长调制机理引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化•荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型•光纤光栅－功能型光纤光栅～反射镜应用领域－通信、传感、信息处理•光通信器件半导体激光器、光纤激光器光纤放大器、滤波器波分复用/解复用器色散补偿•传感•光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线Min’sFiberOpticSensors传感应用光纤光栅传感器•优点：抗干扰能力强，稳定、可靠传感头结构简单、体积小测量重复性好可实现绝对测量便于规模生产、成网•不足：解调系统昂贵、动态范围受限Min’sFiberOpticSensors光纤的光敏性历史•1978年，加拿大K.O.Hill，488nm•1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG•载氢掺锗•光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩光敏性类型：•I型光栅－通信锗硅光纤，Δn0•IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度•II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃光栅的生命周期与稳定性Min’sFiberOpticSensors5.5.*光纤光栅的主要类型光纤Bragg光栅(FBG)effcoreBn2ncnclλBMin’sFiberOpticSensors5.5.*光纤光栅的主要类型cont’d长周期光栅LPG•导模包层模，损耗•宽带透射谱－增益平坦•灵敏制造－振幅模板、逐点写入法effcladdingcoreLnn)(CORECLADDINGMin’sFiberOpticSensors5.5.*光纤光栅的主要类型cont’d啁啾光栅（chirped）•结构：周期沿光纤轴向变化－线性、非线性•宽带反射谱：可达100nm•应用色散补偿：100km（at1550nm）的色散3.6cm宽带滤波器增益平坦)()(2)(zznzeffBCORECLADDING短长Min’sFiberOpticSensors5.5.*光纤光栅的主要类型cont’d闪耀光栅•结构：波矢方向与光纤轴有一夹角模式耦合：导模包层模/异阶导模相位光栅•FBG某些点处的周期性被破坏附加相移解复用器2effBlr1n)(2MAIN-MODESIDE-MODECORECLADDINGlr，为光栅写入时，距相位模版远端的距离l1CORECLADDINGl1Min’sFiberOpticSensors5.5.*FBG应变传感模型对于各向同性圆柱体－几点假设：•光栅自身结构－纤芯+包层，忽略所有外包层的影响；•石英光纤－理想弹性体，遵循虎克定律，且内部不存在切应变；•紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光纤的各向同性特性；•所有应力均为静应力，不考虑随时间变化effeffBeffeffBnnn222弹光效应弹性变形zr,,横向应力作用纵向应力作用Min’sFiberOpticSensors5.5波长调制机理KB•灵敏度：11pm•测量范围：1％•频率响应：可达1MHz应变测量effBn2布喇格波长TKTB温度测量•灵敏度：1C10pm•测量范围：200CMin’sFiberOpticSensorsFBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移zzfrrBBavnkankannazefwgeffwgeffeffwg211121212ZBeffzzBzznPPPk1.22/pmNA=0.11012345光纤芯径（μm）相对灵敏度系数-0.0006-0.0004-0.0002NA=0.13NA=0.15NA=0.170NA=0.11光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度的增加造成的灵敏度饱和现象结论：•欲提高光纤光栅的应变灵敏度系数，必须选用低弹性模量、高泊松比的涂敷材料进行保护。•选用高弹性模量、低泊松比的金属材料进行涂敷，才能达到提高光栅稳定性的目的11.522.533.544.50246810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(1011/(N/m2))ν＝0.483E＝0.39×109E＝10×109E＝72×109E＝100×1091263450246810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(1011/(N/m2))E＝3.9×109ν＝0.98ν＝0.70v＝0.483ν＝0.17光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤光栅应力灵敏度系数的影响结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料1.051.061.071.080246810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))E＝86.5×109E＝90×109E＝110×109E＝120×1091.021.041.061.080246810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))ν＝0.98ν＝0.7v＝0.483ν＝0.17Min’sFiberOpticSensors非均匀涂敷对光栅光学性能的影响现象•二次涂敷后－反射率随拉伸载荷的增加逐渐下降•反射谱也逐渐加宽解释•涂敷不均匀造成的chirp－非线性随机chirp光栅反射谱将发生随机展宽附加噪声解决方法•涂敷材料选择•严格控制二次涂敷工艺Min’sFiberOpticSensors光纤光栅的保护和封装保护层对光纤光栅传感性能影响•裸纤光栅的应变极限仅7860με二次涂敷前后光纤光栅标准应力拉伸实验宽谱光源光纤光栅光纤砝码■涂覆后－涂覆前1547.01546.91546.81546.71546.61546.51546.41546.31546.201020304050纵向载荷（g）波长漂移（nm）Min’sFiberOpticSensorsFBG的应用模式单参量测量双参量测量准分布式多点测量Min’sFiberOpticSensorsFBG基本系统结构AQ4315ASE宽带光源FBG光环行器FB200波长监控器231FBG波长1波长2Min’sFiberOpticSensorsFBG多点测量系统结构•高精度：1pm/0.1℃,1pm/με•实时监测•传感器数量受限Min’sFiberOpticSensorsFBG特点高速&高分辨率测量测量FBG反射谱的功率及中心波长波长范围：1527～1567nm或1568～1607nm波长分辨率：1pm功率范围：-4dBm～-60dBm(0.1nmRBW)测量速度：测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz)FBG传感器的最大数量：40超紧凑&高可靠性220X170X90mm,2Kg(包括供电)设计高度可靠(使用寿命10年)工作温度：0to60℃Min’sFiberOpticSensors分光仪带有光二极管阵列(PDA)的多色仪结构•固定的衍射光栅保证仪器的鲁棒特性；•无活动部分-保证了仪器的紧凑性、高可靠性及高速测量。波长分辨率•高分辨率(1pm)；•对像素数据采用独特的内插算法来获得极高的分辨率注：鲁棒特性是指一个系统在非理想环境下的工作能力，这种环境里可能有许多其他信号或干扰，或者收到的信号电平具有快速起伏的特征。光纤光栅光二极管阵列镜面透镜Min’sFiberOpticSensors测量实例1555.01555.21555.41555.61555.81556.01556.20100200300400time[msec]wavelength[nm]1555.01555.21555.41555.61555.81556.01556.2050100150200time[msec]wavelength[nm]高速测量(10msec间隔)10Hz振动34Hz振动(实线:正弦曲线)Min’sFiberOpticSensors软硬件结构PC机上的图形用户界面（GUI）单色仪结构PhotoDiodeArrayfiberDiffractiongratingmirrorlens640-elmentsPhotoDiodeArrayASEsource(whitelightsource)FBGsensorcirculatorWavelengthmonitor2FBGsensor31Min’sFiberOpticSensorsPC机上的图形用户界面（GUI）Min’sFiberOpticSensors测量结果比较•FB200波长监控器VS波长计1555.01555.21555.41555.61555.81556.01556.21556.401020tension[a.u.]wavelength[nm]WavelengthMeter703753-10-505101555.11555.61556.1WavelengthbytheWavelengthMeter[nm]difference[pm]703753Min’sFiberOpticSensors应用范围Min’sFiberOpticSensors应用范围复用数目Min’sFiberOpticSensors应用范围实例●水位分布測定Min’sFiberOpticSensors机站布局测试站内部主机输电线周围状况Min’sFiberOpticSensors应用实例Min’sFiberOpticSensors应用范围Min’sFiberOpticSensors应用范围Min’sFiberOpticSensors应用例Sensorforlandslidemovement(B-OTDR)Threeanchors(FBG)Min’sFiberOpticSensors应用范围日本女子大学百年館の外観（建設時）Min’sFiberOpticSensors应用例－锚杆压力应变监测长期维护耐腐蚀寿命长锚键锚体的应变监测AnchortendonAnchorBodyFBG标准应变测试仪FBG应变传感器锚杆长40mMin’sFiberOpticSensorsMin’sFiberOpticSensors光栅标准具Bragg波长：对于啁啾光栅：干涉条纹的占空比：2Beffn0()22llzCzz2/(2)BeffnspMin’sFiberOpticSensors光纤传感器与智能材料传统材料强度要求现代材料“自检”的功能•获得材料及结构的整体性、环境条件等信息•确定系统的运行情况、可靠性•确定剩余寿命提出“智能材料与结构”的概念•在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件Min’sFiberOpticSensors智能结构对传感器的特殊要求•①微型化：保证传感器的埋入不会影响材料的性能（或影响很小）•②高可靠：确保智能材料在整个“服役期”能正常有效地运行•③网络化：以实现多路复用或空间分布式测量使传感系统可获取较大空间范围内的传感信息光纤传感器Min’sFiberOpticSensors可用于智能结构的光纤传感器点式传感器•光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。•优点：传感头尺寸小结构尺寸•缺点：只局限于检测一个很小截面内的某一参量的值。积分式传感器•可用于测量一定范围内某一参量的平均值例如：光纤干涉仪（MZ干涉仪、Michelson干涉仪等）可用于测量光纤长度范围内应变或温度的平均值。用单根高