光纤光栅传感器.doc

光纤光栅
光纤光栅是一种新型的光子器件,它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布,可以改变和控制光在光纤中的传播行为。利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化),在纤芯内形成空间相位光栅,作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射或透射的反射镜或滤波器。
光纤光栅可与光纤完全兼容,不存在集成波导光栅与光纤的耦合问题。光纤光栅的出现,使许多复杂全光纤通信和传感网成为可能,极大的拓宽了光纤技术的应用范围。
光纤光栅传感器的工作原理
1989年Morey等人首先对光纤光栅的应力和温度传感特性进行了研究。应力影响由光弹效应导致折射率变化和形变使光纤光栅周期变化引起,温度影响由热光效应使有效折射率改变和热膨胀效应使光栅周期变化引起。
光纤光栅传感器的工作原理是借助于某种装置将被测参量的变化转换为作用于光纤光栅上的应力或温度的变化,从而引起光纤光栅布拉格波长变化。由光纤光栅布拉格波长的变化测量出被测量的变化。即采用波长调制方式,将被测信息转化为特征波长的移动。实验测定,/。
根据光纤耦合模理论,当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时,产生模式耦合,满足布拉格条件的波长光被反射,于是有
(3-1)
式中:为导模的有效折射率,为光纤栅格周期。
符合布拉格条件的反射光波长的移位为
(3-2)
温度响应
当只考虑温度影响时,有
(3-3)
式中:为热膨胀系数,为热光系数。且有
(3-4)
(3-5)
对于掺锗石英光纤,取;的范围内,取
,在时,取。
应变响应
当只考虑应力影响时,有
(3-6)
式中:为轴向应变,是泊松比,p是光纤光栅应变灵敏度系数。
对于掺锗石英光纤,,则
(3-7)
实际应用中,是个很小的量,可以引入作为应变度量单位。
光纤光栅传感器性能指标
传感器波长:FBG反射谱中的尖峰的中心波长,大多FBG传感系统工作在50nm(1520nm~1570nm)窗口范围内。
传感器带宽:FBG反射谱中的尖峰下降3dB时对应的波长宽度。带宽越小,测量精度越高。~,。
反射率:返回测量系统的光功率占原始光功率的百分比,决定信号强度。
边模抑制:决定信噪比。
光纤光栅传感器的特点
光纤光栅与光纤之间存在固有的兼容性,很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列,实现分布式传感。且具有抗腐蚀、抗电磁干扰、频带宽、重复性好、多只光栅时分、波分复用方便及波长编码方式不受光源功率波动和系统损耗影响等特点。波长编码保证了检测到的光频谱取决于光源和布拉格光栅的频谱,对电磁场以及布什加在光栅上的应力、温度等都不敏感。
光纤光栅传感器使用于特殊结构的传感网络,如水坝寿命监测、桥梁缺陷监测、大型运输载体的复合材料在不破坏材料性质基础上对多种物理量的多点分布测量等。
光纤布拉格光栅的传感解调原理
如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移,是光纤光栅传感器实用化面临的关键技术。为此,人们提出了许多检测方案,大致可分为光谱分析法、可调谐光纤光栅滤波器法