光纤布拉格光栅传感器.ppt

2017-1-14 1光纤布拉格光栅传感器光纤布拉格光栅( Fiber Bragg Grating, FBG )传感器是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区,于是特定波长(布拉格反射光)的光波在这个区域内将被反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。 2017-1-14 2 将光栅区用作传感区,当被传感物质温度、结构或是位置发生变化的时候, 光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化,从而改变 Bragg 中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的 Bragg 波长进行检测就可以获得待测参量的变化情况(见图 2)。 2017-1-14 3 将 FBG 传感器用于工程监测,其最大优势在于可以将具有不同栅距的布拉格光栅间隔地制作在同一根光纤上,用同一根光纤复用多个 FBG 传感器,实现对待测结构的准分布式的测量。 FBG 传感系统结构如图 3。 2017-1-14 4 光纤 Bragg 光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等领域都能发挥重要作用,所以具有广阔的应用前景。它具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易燃,易爆,和强电磁等恶劣环境下使用。 FBG 技术的特点: ?测量精度高—— FBG 应力测量精度可以达到 1με,温度测量精度可以达到 ℃。?响应时间短——单个 FBG 传感器响应时间小于 。(时间与 FBG 传感器距离监控器实际距离有关) 测量范围大——应变测量可以超过 10000 με。 2017-1-14 5 传感原理光纤光栅的 Bragg 波长是随光栅的周期和纤芯模的有效折射率变化的,因此 Bragg 波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响 Bragg 波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的,而温度影响 Bragg 波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生变化时, Bragg 波长的变化可表示为Δλ B =2 Δn effΛ+2 n effΔΛ (-2) 2017-1-14 6 温度传感原理温度影响 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( - 3) 式中为光纤的热膨胀系数。热光效应引起的折射率变化为( - 4) 这里, ξ为光纤的热光系数,表示折射率随温度的变化率。式( - 3)、( - 4)结合( - 1),可知 Bragg 光栅的波长在变化的温度场中的表达式为( - 5) Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系,光栅的温度灵敏度为( - 6) 2017-1-14 7 应变传感原理应变影响 Bragg 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设光纤光栅仅受轴向应力作用,温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力会引起光栅栅距的改变???? ?( -7) 有效折射率的变化为( -8) 式中, P是弹光系数, 是纤芯材料泊松比(下同)。沿z轴方向传播