光纖光柵傳感器研究應(yīng)用簡(jiǎn)介

1、光纖光柵傳感器研究應(yīng)用簡(jiǎn)介交通運(yùn)輸學(xué)院 運(yùn)輸1001 壽濤 10251016 內(nèi)容提要：作為現(xiàn)代傳感技術(shù)的重要分支，光纖傳感技術(shù)在許多領(lǐng)域具有替代傳統(tǒng)傳感器、彌補(bǔ)傳感領(lǐng)域空白的先天優(yōu)勢(shì)。本文關(guān)注著光柵，以光纖光柵傳感器為核心，了解光纖光柵的歷史，工作原理，有選擇地介紹了光纖光柵傳感的兩項(xiàng)核心技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和封裝技術(shù)）中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；同時(shí)關(guān)注著光纖光柵傳感器的應(yīng)用以及前景，內(nèi)容覆蓋了光纖光柵傳感領(lǐng)域的方方面面，特別是對(duì)傳感器的討論細(xì)致、深入，并列舉了大量的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例。對(duì)學(xué)科最新技術(shù)和進(jìn)展的介紹全面、貼近工程應(yīng)用實(shí)際。關(guān)鍵詞： 光纖傳感器 光纖光柵 分類 原理 技術(shù) 研究方向應(yīng)用光纖傳感器是20世

2、紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的新型傳感器，與常規(guī)的各類傳感器相比有很多優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器原理:研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi),外界信號(hào)與光的相互作用,即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理，外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度,波長(zhǎng),頻率,相位,偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化,從而形成不同的調(diào)制。光纖光柵傳感器是光纖傳感器的一種，單是單純的光纖傳感器是分布式測(cè)量，不支持實(shí)時(shí)測(cè)量，光纖光柵傳感器是多點(diǎn)測(cè)量，支持實(shí)時(shí)測(cè)量，光纖光柵傳感器是利用光纖光柵的形變導(dǎo)致的光波波長(zhǎng)位移來測(cè)應(yīng)力應(yīng)變溫度等等，而光纖傳感器是利用光波被外界環(huán)境調(diào)制引起參數(shù)變化，比如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、頻率、相位等。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到

3、光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。1、光纖光柵的歷史淵源1978年加拿大渥太華通信研究中心的K·O·Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。1989年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的G·Meltz等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。1993年，K.O.Hill等人利用紫外激光通過相位模板后的+1級(jí)衍射光相干形成的周期性明暗條紋對(duì)光纖曝光，制

4、作光纖光柵，提出了相位掩模成柵技術(shù)。同年，P.J.Lemaire等人提出了一種簡(jiǎn)單而有效的光纖敏化技術(shù)。自此光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没?，也在世界各地掀起了光纖光柵技術(shù)及其應(yīng)用的研究熱潮。2、光纖光柵傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)： （1）可靠性好、穩(wěn)定性高。 （2）傳感部分是全光纖結(jié)構(gòu)，沒有任何電壓、電流信號(hào)，防靜電、無火花、耐腐蝕。 （3）測(cè)量精度高、不受強(qiáng)電磁信號(hào)影響。 （4）單路光纖上可以串聯(lián)成多個(gè)光纖傳感器，測(cè)量點(diǎn)數(shù)多，傳輸距離遠(yuǎn)。 （5）支持無人值守監(jiān)測(cè)站應(yīng)用。 （6）系統(tǒng)集成度高，可與局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)以及MIS系統(tǒng)方便連接，

5、方便管理。 （7分布式測(cè)量，耐久性好。 （8）實(shí)時(shí)性好，24小時(shí)不斷監(jiān)測(cè)，不受人為因素的影響，將人為事故降至最低。3、 光纖光柵-基本分類 3.1光纖光柵按其空間周期和折射率系數(shù)分布特性可分為：均勻周期光纖布喇格光柵啁啾光柵閃耀光柵長(zhǎng)周期光柵相移光柵。此外還有Tapered光纖光柵，取樣光纖光柵、Tophat光柵、超結(jié)構(gòu)光柵等。3.2根據(jù)光纖光柵的成柵機(jī)理來分可分為三種：型、A型和型。 型光柵：即最常見的光柵，可成柵在任何類型的光敏光纖上A型光柵：成柵于高摻鍺（15mol）光敏光纖或硼鍺共摻光敏光纖上，曝光時(shí)間較長(zhǎng)。成柵機(jī)理于型不同。型光柵：由單個(gè)高能量光脈沖（大于0.5J/cm2）曝光形成。

6、原理光柵測(cè)量的基本原理4、光纖光柵傳感器的工作原理我們知道，光柵的Bragg波長(zhǎng)lB由下式?jīng)Q定：lB=2nL 式中，n芯模有效折射率；L光柵周期。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過測(cè)量物理量變化前后反射光波長(zhǎng)的變化，就可以獲得待測(cè)物理量的變化情況。如利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。4.1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測(cè)量很有效，但在需要同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度或者測(cè)量應(yīng)變或溫度沿光柵長(zhǎng)度的分布時(shí)就顯得力不從心。

7、此時(shí)，采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。啁啾光纖光柵傳感器的工作原理圖啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會(huì)發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場(chǎng)合是非常有用的。由于應(yīng)變的影響，啁啾光纖光柵反射信號(hào)會(huì)拓寬，峰值波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dndT)，僅會(huì)影響重心的位置。因此通過同時(shí)測(cè)量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。4.2 長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)的周期一般認(rèn)為有

8、數(shù)百微米，它在特定的波長(zhǎng)上可把纖芯的光耦合進(jìn)包層，其公式如下：li=(n0-niclad)·L (2) 式中，n0纖芯的折射率；nicladi階軸對(duì)稱包層模的有效折射率。LPG在給定波長(zhǎng)上共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而適用于構(gòu)建多參數(shù)傳感器。光纖光柵傳感器根據(jù)應(yīng)用又可分為光纖光柵應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等。（1）光纖光柵應(yīng)變傳感器此種傳感器是在工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的光纖傳感器。應(yīng)變直接影響光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，在工作環(huán)境較好或是待測(cè)結(jié)構(gòu)要求精小傳感器的情況下，人們將裸光纖光柵作為應(yīng)變傳感器直接粘貼在待測(cè)結(jié)構(gòu)的表面或者是埋設(shè)在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部

9、。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對(duì)其進(jìn)行封裝后才能使用。 (2)光纖光柵溫度傳感器基于光纖光柵技術(shù)的溫度傳感器，采用波長(zhǎng)編碼技術(shù)，消除了光源功率波動(dòng)及系統(tǒng)損耗的影響，適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè);而且多個(gè)光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)，采用一根光纜，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。 溫度也是直接影響光纖光柵波長(zhǎng)變化的因素，人們常常直接將裸光纖光柵作為溫度傳感器直接應(yīng)用。 (3)光纖光柵位移傳感器光纖光柵位移傳感器研究都是通過測(cè)量懸臂梁表面的應(yīng)變，然后通過計(jì)算求得懸臂梁垂直變形，即懸臂梁端部垂直位移。這種“位移傳感器”不是真正意思上的位移傳感器，目前這種傳感器在實(shí)際工程已取得了應(yīng)用，國(guó)內(nèi)亦具有商

10、品化產(chǎn)品。 (4)光纖光柵加速度計(jì):加速度傳感器由兩個(gè)矩形梁和一個(gè)質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊通過點(diǎn)接觸焊接在兩平行梁中間，光纖光柵貼在第二個(gè)矩形梁的下表面。在傳感器受到振動(dòng)時(shí)，在慣性力的作用下，質(zhì)量塊帶動(dòng)兩個(gè)矩形梁振動(dòng)使其產(chǎn)生應(yīng)變，傳遞給光纖光柵引起波長(zhǎng)移動(dòng)。 (5)光纖光柵壓力傳感器對(duì)拉力或壓力的監(jiān)測(cè)也是監(jiān)測(cè)的一部分重要內(nèi)容，如橋梁結(jié)構(gòu)的拉索的整體索力、高緯度海洋平臺(tái)的冰壓力，以及道路的土壤壓力，水壓力等。哈工大歐進(jìn)萍等人相繼開發(fā)出了光纖光柵拉索壓力環(huán)和光纖光柵冰壓力傳感器，英國(guó)海軍研究中心開發(fā)了光纖光柵土壤壓力傳感器，用以監(jiān)測(cè)公路內(nèi)部的荷載情況。4.3光纖光柵的核心技術(shù)是光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò) 光纖光柵

11、傳感網(wǎng)絡(luò)是集信號(hào)傳感和傳輸雙重作用于一體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，多個(gè)傳感器需要按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起，并通過同一個(gè)光電終端來控制和協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感信號(hào)的探測(cè)、識(shí)別和解調(diào)的功能。典型的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示，其基本功能部分可概括為：光發(fā)射和接收終端，傳輸線路，傳感器陣列和信號(hào)處理系統(tǒng)四個(gè)部分。 從寬譜光源或者連續(xù)掃描激光器出射的光經(jīng)由光耦合器或光開關(guān)后分別到達(dá)相應(yīng)通道的光纖光柵傳感器陣列。由于光纖光柵是以波長(zhǎng)編碼的方式實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量，因此在傳感網(wǎng)絡(luò)中可以采用光開關(guān)切換各個(gè)通道，互相并無串?dāng)_。各個(gè)通道可以采用相同波長(zhǎng)的光纖光柵傳感器陣列，從而有效的利用了頻帶資源。各傳感器反射回來的

12、波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)過耦合器和可調(diào)諧掃描濾波器后被光電探測(cè)器接收。當(dāng)傳感器陣列中某個(gè)傳感器所處的環(huán)境（如溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)等）發(fā)生改變時(shí)，該傳感器的中心波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生漂移（一般為線性變化）；這種波長(zhǎng)的微小漂移被探測(cè)、采樣并將采樣數(shù)據(jù)送到信號(hào)處理模塊進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到傳感器的相關(guān)參量和相應(yīng)的溫度或應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果。 用于信號(hào)解調(diào)的光源、濾波器、探測(cè)器和信號(hào)處理與控制模塊以及其它的相關(guān)光路元件通常集成在一個(gè)設(shè)備里，稱做光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀。5、光纖光柵傳感器的應(yīng)用光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，并且特別適合于惡劣或特殊的環(huán)境中。它的主要應(yīng)用范圍如下： 1、 民用工程：如橋梁、大壩、岸堤、大型鋼結(jié)構(gòu)、建筑等的健康

13、安全（比如對(duì)橋梁的變形、溫度、載荷、使用壽命、結(jié)構(gòu)損傷等）監(jiān)控，2、航空航天工業(yè)：如飛機(jī)上壓力、溫度、振動(dòng)、燃料液位等指標(biāo)的監(jiān)測(cè) 。3、船舶航運(yùn)業(yè)：如船舶的損傷評(píng)估及早期報(bào)警 4、石油化學(xué)工業(yè)：光纖光柵本質(zhì)安全，特別適合于石化廠、油田中的溫度、液位等的監(jiān)控 5、核工業(yè)中的應(yīng)用：監(jiān)視廢料站的情況，監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆建筑的情況等6、電力工業(yè)中的應(yīng)用：電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測(cè)量。7、球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用在地震檢測(cè)等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中：主要是在巖石變形、垂直震波的檢測(cè)以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面。 8、在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：醫(yī)學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器，它對(duì)許多內(nèi)科手術(shù)是不適用的，尤其是在高微波(輻射)頻率、超聲波場(chǎng)或激光輻射的過高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場(chǎng)的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應(yīng)，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。近年來，使用高頻電流、微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來越受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注，而且傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)樾〉某叽鐚?duì)人體組織的傷害較小，而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳 2011年10月28日 星期五 參考文獻(xiàn)：1金秀梅.光纖光柵傳感測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究及其在預(yù)應(yīng)力筋中的應(yīng)用D.2006.2張昕明 余有龍 朱勇光纖光柵傳感系統(tǒng)信號(hào)