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光纤光栅传感器的基本原理及应用

导读:

摘要:概述光纤光栅传感器的基本原理及实际应用,介绍了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中的应用。
关键词:光纤光栅;光纤光栅传感器
中图分类号: TP212.14  文献标识码: A

一、前言

1978 年加拿大渥太华通信研究中心的K·O·Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应,并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。1989年,美 国联合技术研究中心的G·Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术,使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。随着光纤光 栅制造技术的不断完善,其应用的成果日益增多,从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化,光纤光 栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器(EDFA)技术之后的又一重大技术突破。

光 纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空 间相位光栅,其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件,它们都具有反射带宽范围大、 附加损耗小、体积小,易与光纤耦合,可与其它光器件兼容成一体,不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

光 纤光栅的种类很多,主要分两大类:一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅),二是透射光栅(也称为长周期光栅)。光纤光栅从结构上可分为周期性结构 和非周期性结构,从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅;其中,色散补偿型光栅是非周期光栅,又称为啁啾光栅(chirp光栅)。目前光纤光栅的应 用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。

在 光纤传感器领域,光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125um)、重量轻、耐温性好(工作温度 上限可达400℃~600℃)、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几公里)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点,早在1988年就成功 地应用在航空、航天领域中作为有效的无损检测当中,同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域,以及在土木工程领域中(如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等)的混凝土组件和结构中测定结构的完整性和内部应变状态,从而建立灵巧结构,并进一步实现智能建筑。

二、光纤光栅传感器的工作原理

我们知道,光栅的Bragg波长lB由下式决定:lB=2nL            (1)
    式中,n—芯模有效折射率; L—光栅周期。
    当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时,光栅的周期或纤芯折射率将发生变化,从而使反射光的波长发生变化,通过测量物理量变化前后 反射光波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同,可实现对磁场的直接测量。此外,通过特定的技术,还 可实现对应力和温度的分别测量和同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料(如压电材料),对电场等物理量的间接测量也能实现。

1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理
    上面介绍的光栅传感器系统,光栅的几何结构是均匀的,对单参数的定点测量很有效,但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时就显得力不从心。此时,采用啁啾光纤光栅传感器就就是一个不错的选择。
    啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同,在外界物理量的作用下,啁啾光纤光栅除了DlB的变化外,光谱的展宽也会发生变化。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的。由于应变的影响,啁啾光纤光栅反射信号会拓宽,峰值波长也会发生位移,而温度的变化则由于折射率的温度依赖性(dndT),仅会影响重心的位置。因此通过同时测量光谱位移和展宽,就可以同时测量应变和温度。
    2、长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理
    长周期光纤光栅(LPG)的周期一般认为有数百微米,它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层,其公式如下:li=(n0-nicladL        (2)
    式中,n0—纤芯的折射率;nicladi阶轴对称包层模的有效折射率。

光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减,留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振,其共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差,由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移,通过检测Dli,就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上共振带的响应通常有不同的幅度,因而适用于构建多参数传感器。

三、光纤光栅传感器的应用

1、在地球动力学中的应用
    在地震检测等地球动力学领域中,地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂的,而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关 键活动范围演变的最有效手段心。光纤光栅传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。活动区的 应变通常包含静态和动态两种,静态应变(包括由火山产生的静态变形等)一般都定位于与地质变形源很近的距离,而以震源的震波为代表的动态应变则能够在与震 源较远的地球周边环境中检测到。为了得到相当准确的震源或火山源的位置,更好地描述源区的几何形状和演变情况,需要使用密集排列的应力-应变测量仪。光纤 光栅传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器,符合地震检测等的要求,因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。有报道指 出,光纤光栅传感器已成功检测了频率为0.1Hz~2Hz,大小为10-9 e的岩石和地表动态应变。

2、在航天器及船舶中的应用
    先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好,而且可以减轻船体或航天器的重量,对于快速航运或飞行具有重要意义,因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。
    为全面衡量船体的状况,需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力,普通船体大约需要100个传感器,因此波长复用能力极强的光纤光栅传 感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力,而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了带 宽为5kHz范围内、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的动态应变测量。
    另外,为了监测一架飞行器的应变、温度、振动,起落驾驶状态、超声波场和加速度情况,通常需要100多个传感器,故传感器的重量要尽量轻,尺寸尽量小,因 此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外,实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变,嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的 理想智能元件。    

3、在民用工程结构中的应用
    民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等来说,通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及状 况,方便进行维护和状况监测。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,还以监视结构的缺 陷情况。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,并通过计算机对传感信号进行远程控制。
    光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时,一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面,或在梁的表面开一个小凹槽,使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽中 (便于防护)。如果需要更加完善的保护,则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋。同时,为了修正温度效应引起的应变,可使用应力和温度分开的传感臂,并在每 一个梁上均安装这两个臂。
    两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里-珀罗干涉仪的反射镜,形成全光纤法布里-珀罗干涉仪(FFPI),利用低相干性使干涉的相位噪声最小化,这一 方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG,其中一个光栅用来测应变,另一个被保护起来(免受应力影响),以测量和修正温度效应, 同时实现了对三个量的测量:温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点,在5me的测量范围内,实现了小于 1me的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1ne/(Hz)1/2的动态应变灵敏度。

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