光纤光栅传感器.ppt

一、光纤光栅简介
1978年,。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
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布拉格光栅(反射光栅或短周期光栅)
长周期光栅(透明光栅)
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弱折射率调制光纤光栅
强折射率调制光纤光栅
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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 :Fiber Bragg Grating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=2 Λ
当满足上式的光栅就称为布拉格光栅。
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: