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12,1%nn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2n1n2).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)θiθi0光由光密物质入射至光疏物质时，当n1＞n2，有θr＞θi3).数值孔径NA(NumericalAperture,NA)2111000sinsin(90)cos1sinikKKnnnnnn0112sinsinsinsinijkrnnnn1021sin(/)sinsin(/)sinijkrnnnnjk90,因所以光纤导光示意图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θiarcsin(NA)的光线才可进入光纤被全反射传播。222212120101sin1sinsinirrnnnnnnn02212sinNAinn222012sinsinirnnnr9001n210sin1siniKnn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。CTtAE，)sin(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sinAEt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1um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。/2（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2nBeffλ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。2nfBefλBeffn光纤光栅的纤中心波长有效折射率芯的光栅周期22BeffeffnneffBBeffnn2Beffnλ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211122121112[(1)][()]2-=2-effefeffffeefPPnPPPnPnnμ—纤芯的泊松比；P11,P12—纤芯材料的弹光系数。31112[(1)]2effeffnnPP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-effeeffnPn(1)effeeBBffKnPn(2).FBG光栅周期变化为-effeeffnPn(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，0.22,1550eBPnm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BTBTKTT—热膨胀系数(1).由热膨胀效应引起的光栅周期变化为T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effeffnnT—热光系数61550,7.510/12/TnmKCpmC，中心波长漂移约为effBBeffnn2121112[()]2;;effenPppp热光系数热——，膨胀系数弹光系数3）FBG传感器随应力与温度的同时变化()1eBBBTBPKTTK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FBG1FBG2111/BBTKKT222/=BBTKT122211/()/BBBBTTKKKa.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FBG1FBG21111/BBTKKTb.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2222/BBTKKT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）nINTkykBraggy解调仪的波长范围；光纤光栅的灵敏度；每个光栅的应变量程范围；一般解调仪波长范围△λ为50nm～70nm.9122000,40005010==121104000uyunINTINTky如应变范围为即，则1/1,=50nm50000.kuuum波长范围可表征如光纤传感网络的实现开始采集参数设定系统初始化数据采集、处理实时显示和控制结果存储和输出结束针对时分复用技术，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34旋转拉力机加热炉带光栅光纤滑轮树脂分束盘合束盘FRP筋纤维束纤维束7）光纤埋入FRP筋的方法357）光纤埋入FRP筋的方法36FRP-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05001000150020002500300035004000450050000100200300400500600700应变（με）应力（MPa）CFRP1CFRP2CFRP-OFBG1CFRP-OFBG2CFRP-OFBG1551.51552.01552.51553.01553.51554.01554.502004006008001000120014001600180020002200应变（με）波长（nm）第一次张拉第二次张拉第三次张拉7）光纤埋入FRP筋的方法38-60-40-200204060801001542.51543.01543.51544.01544.51545.0λ=1543.567+0.01722ΔTR=99983波长（nm）温度（℃）实测拟合温度标定试验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计算机...光纤光栅解调仪FBG1光开关1（合波器）FBGnFBGnFBG1光开关n（合波器）传输光缆跳线跳线传输光缆光纤适配器........................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测点打磨丙酮清洗砂纸抛光502粘传感器J133（J39）涂覆玻璃胶涂覆密封胶涂覆玻璃布包覆环氧树脂涂覆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42536781Sensor山东滨州黄河公路大桥（20