光纤光栅传感器

一、光纤光栅简介1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-20），这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。光纤光栅当光波通过折射率周期性变化的光学介质时，光波的相位会产生周期性的变化，因此这种折射率周期性变化的光学介质就是光栅，称为折射率型光栅。光纤光栅就是典型的折射率型光栅。现在，所有的在光纤中制作的光栅都可以称为光纤光栅。二、光纤光栅定义三、光纤光栅制作基本原理光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制作的。所谓光敏性，就是指当材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。在外部光源照射时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系并可以被保留下来，成为光纤光栅。四、光纤光栅分类1.按周期可分为：布拉格光栅（反射光栅或短周期光栅）长周期光栅（透明光栅）2.按折射率调制强度来划分：弱折射率调制光纤光栅强折射率调制光纤光栅3.按光栅平面是否有倾角划分：Blazed光栅非Blazed光栅光纤光栅传感器光纤光栅广泛应用于应变、温度、压力、磁场等多种测量场合。在过去20多年里，光纤光栅传感器的制作、封装、检测和多路复用技术都取得了很大的进步，使得它们的应用日趋成熟。这里我们主要介绍布拉格光纤光栅的传感原理、调解方法、分类及简单的应用。FBG：FiberBraggGrating的缩写，即布拉格光纤光栅。当光以α1入射时，将α2以衍射，且满足布拉格衍射方程nsinα1-nsinα2=mλ/Λ式中，Λ是光栅周期，n为介质折射率，m为布拉格衍射级数。光纤中，光传播有效折射率简化为neff=nsinα。当m为1时有：neff1-neff2=λ/Λ从而得到λ=（neff1-neff2）Λ当α2=-α1时，λ=2neff1Λ=2Λ当满足上式的光栅就称为布拉格光栅。n光纤光栅传感原理温度、应变和应力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变和压力信息，这就是用光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理。光纤光栅传感原理图●温度灵敏度温度影响Bragg波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为式中α为光纤的热膨胀系数。●应变（力）灵敏度应变（力）影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。FBG的波长漂移△λBS和它所受的纵向应变△ε的关系为：△λBS=λB（1-ρα）△ε式中ρα是光纤的弹光系数，ρα=n*n/2[ρ11–ν(ρ11–ρ12)]ρ11和ρ12是光纤的光学应力张量，ν是泊松系数。●压力灵敏度压力影响也是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设温度场和轴向拉力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场P中，轴向应变会使光栅的栅距改变，即：有效折射率的变化为：其压力灵敏度为：FBG传感器调解方法1.边缘滤波器法边缘滤波器法中输入波长漂移量和输出量光强度变化量线性关系，这种方法是通过探测滤波器的输出强度来计算波长漂移量的变化。2.可调谐滤波器法可调谐滤波器法可以用于测试FBG的波长飘移，其主要是利用了可调谐滤波器的输出是FBG输出谱和可调谐滤波器谱的卷积的原理，测量的分辨率主要取决于FBG返回信号的信噪比，以及可调谐滤波器和FBG的带宽。3.干涉仪扫描法1992年和1993年，Kersey等人报道了干涉仪扫描法可以用于测量因应变或温度引起的FBG波长漂移量，这种方法在动态及准静态应变测量中具有较高的分辨率。4.双腔干涉仪扫描法1996年，Rao等人提出可以在干涉仪中使用长短两个腔，以得到两组干涉条纹，利用这两组干涉条纹可以提高绝对测量范围。FBG的分类根据传感器与被测结构的相对位置关系可分为表面式和埋入式。根据传感器封装方式的不同,可分为管式、基片式、嵌入式等。1.管式封装FBG应变传感器管式封装FBG应变传感器首先将裸光纤光栅置于套管中,施加一定的预应力使光纤光栅保持平直,再在套管和光纤之间灌入封装胶,从而将光纤光栅牢牢嵌固在套管内部。封装胶具有一定强度,能很好地将结构的应变传递至光纤光栅。管式封装结构具有良好的抗干扰能力。安装于结构后能准确、快速地感受基体结构应变的变化,是一种性能良好的FBG应变传感器。基片式封装FBG应变传感器基本结构是在其传感器基片上刻一小槽，然后用黏结剂将裸光纤光栅固定在小槽内。刻小槽的目的主要是增加基片和光纤的接触面积，从而能有效地将基片的应变传递到光纤光栅上。相比于管式封装,基片式封装结构不需要将黏结剂灌入套管，传感器制作比较方便,适合于结构表面应变的测量。但是在使用过程中,黏结剂直接暴露在空气中,容易受到环境腐蚀，其耐久性需要进一步研究。2.基片式封装FBG应变传感器由于光纤光栅传感器体积小,灵敏度高，所以将光纤光栅埋入材料内部，可使材料具有自我感知能力。因此,将FBG应变传感器嵌入材料内部的嵌入式封装具有重要的实际意义。嵌入式封装应变传感器的性能很大程度上取决于封装材料的性能，因为FBG纤芯的应变是通过封装材料传递的。实例：将裸光纤光栅埋入玻璃纤维增强塑料中,做成直径22mm、长为1000mm的FBG应变传感器,并用于直径混凝土桩在拟静力循环荷载下的现场实测,结果表明该传感器与传统应变片具有很好的一致性3嵌入式封装FBG应变传感器光纤光栅传感器的特点●抗电磁干扰●电绝缘性能好，安全可靠●耐腐蚀，化学性能稳定●体积小、重量轻，几何形状可塑●传输损耗小●传输容量大●测量范围广光纤光栅传感器的应用由于光纤光栅传感器具备许多不可替代的优越性，因此，自G．Meltz等人首次报道将光纤布拉格光栅应用于传感器以来，已经在生物医学、桥梁、航空航天、民用工程结构等许多领域得到了广泛的应用。生物医学应用光纤相干层析成像技术(OCT)主要应用于生物、医学、化学分析等领域。它为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式。利用OCT可以实现深度测量的优势，并已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测。航天航空导航系统应用光纤光栅传感器具有成本低、体积小、重量轻和性能高等优势，故在航天及军事领域获得了广泛的应用。例如，汉普顿大学和NASA兰利研究中心，利用光纤光栅温度／剪切应力传感器，来分辨温度和剪切应力引起的布拉格波长偏移，从而广泛应用于空气动力学设备。光纤光栅温度／剪切应力传感器智能桥梁建筑材料应用智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、以及故障的实时监控。将光纤应用于桥梁测试中，可实现对桥梁钢索的索力及预应力连续混凝土梁内部应力、应变特性的测量和测控，从而构成智能桥梁。实例：加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纤传感器具有很高的精度和重复性，可安装在材料或建筑物表面或埋入内部，对应变、位移、裂缝、空隙压力等进行监测；我国的缪延彪教授建立了一种新的波长干涉仪试验系统，该系统可实现较大范围的绝对距离测量。光纤光栅应用于桥梁检测工矿企业系统基于光纤的弹光效应，FBG器件的应力传感器已被广泛应用于应力监测中。在许多特殊场合，如核工业、化工、石油钻探等都应用了监测传感系统。实例：2001年，美国CiDRA公司采用光纤布拉格光栅传感器在加利福尼亚的Baker油田进行了压力测试，测程为0～103MPa，准确度为±41．3kPa，分辨率为2．06kPa，可见其具有非常高的精度。光纤光栅油井压力传感器FBG传感器的前景展望1)具有体积小、对结构影响小的特点。将其埋入混凝土结构中,需要对其准确定位,融入结构体系中,以取得需要的结构数据.目前常用的埋入方法主要有抽管法、预留孔法等,这些埋入方式均不能使传感器准确到达预设位置并与结构很好地结合成整体。2)是有效的、技术先进的传感器。目前光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪的造价较高,阻碍了其在结构试验和健康监测中的应用,因此应进一步研制价格低廉、性能优越的传感器系统,加快其实用化进程.3)性质优良，理论上可以测量结构任意点的应变。为了反映结构的真实状态而在结构全局范围内布置传感器是不经济的,实际应用中也是无法做到的.所以应进一步进行FBG传感器优化布置研究,即如何利用尽可能少的传感器来反映尽可能多的结构信息,达到对结构状态的准确评估.4)土木工程结构使用期一般都长达几十年,甚至上百年,因此传感器的长期稳定性和耐久性直接影响到结构服役期内的状态监测。将FBG传感器用于实际结构的监测,其耐久性和长期稳定性需要进一步验证.总之,光纤光栅传感器具有优良的性能,在土木工程结构测试中具有广阔的应用前景。谢谢！