光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題課件

光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

0引言近年來。隨著光纖通信技術(shù)向著超高速、大容量通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，以及逐步向全光網(wǎng)絡(luò)的演進.在光通信迅猛發(fā)展的帶動下，光纖光柵已成為發(fā)展最為迅速的光纖無光源器件之一。光纖在紫外光強激光照射下，利用光纖纖芯的光敏感特性.光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化。這樣，在光纖軸向上就會形成周期性的折射率波動，即為光纖光柵。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其它光纖器件連接等優(yōu)點，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為此。本文從光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵等光纖光柵的原理出發(fā)，綜述了光纖布拉格光柵對溫度、應(yīng)變同時測量技術(shù)的應(yīng)用。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

1光纖傳感器的工作原理1.1

光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

光纖布拉格光柵FBG于1978年發(fā)明問世。它利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，從而在光纖上形成周期性的光柵，故稱為光纖光柵。圖l所示是其光纖光柵傳感器的典型結(jié)構(gòu)。

光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

1.2光纖布拉格光柵原理光纖布拉格光柵通常滿足布拉格條件

式中，λB為Bragg波長，n為有效折射率，A為光柵周期。當作用于光纖光柵的被測物理量(如溫度、應(yīng)力等)發(fā)生變化時，會引起n和A的相應(yīng)改變，從而導致λB的漂移;反過來，通過檢測λB的漂移。也可得知被測物理量的信息。Bragg光纖光柵傳感器的研究主要集中在溫度和應(yīng)力的準分布式測量上。溫度和應(yīng)力的變化所引起的λB漂移可表示為：光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

式中，ε為應(yīng)力，P[i，j]為光壓系數(shù)，v為橫向變型系數(shù)(泊松比)，α為熱脹系數(shù)，△T為溫度變化量。一般情況下，(2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]/2因子的典型值為0.22，可以推導出常溫和常應(yīng)力條件下的FBG溫度和應(yīng)力相應(yīng)條件值為：光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

利用磁場誘導的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實現(xiàn)對磁場的直接測量。如通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實現(xiàn)對電場等物理量的間接測量。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

1.3長周期光纖光柵長周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大于100μm，是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一分支。長周期光柵的透射峰波長主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關(guān)，其相位匹配條件可表示為：光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

2溫度和應(yīng)變交叉敏感分離技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)變和溫度同時測量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法、溫度(應(yīng)力)補償法和光強測溫法等幾種技術(shù)。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

式中，kTi為布拉格波長的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它與光纖泊松比、彈光系數(shù)和纖芯有效折射率有關(guān);kTi為布拉格波長的溫度靈敏系數(shù)，它與熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)。目前，雙波長矩陣法在溫度和應(yīng)力區(qū)分測量方面主要有參考光柵法、雙波長重疊FBG法和雙直徑FBG法等。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

2.3溫度參考光柵法該方法是選用2個相同參數(shù)的FBG對同一測量點進行測量，是用兩個相互相鄰且中心波長相同的FBG組成一個傳感探頭，其中FBGl的長度L1大于FBG2的長度L2，為了區(qū)分兩光柵的反射信號，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

圖2中的FBGl裝在一個玻璃管內(nèi)，兩端與玻璃管固定，以使其僅受外界溫度的影響;而FBG2不裝在玻璃管內(nèi)，因而會同時受溫度和應(yīng)變的影響。由于光纖和玻璃管具有相同的熱膨脹性。因此，F(xiàn)BGl和FBG2的溫度敏感系數(shù)相同。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

2.4溫度(應(yīng)力)補償法其實，目前研究較多的還是溫度補償法。該方法主要通過某種方法或裝置先將溫度擾動引起的波長漂移剔除掉，從而使應(yīng)變測量不受溫度的影響。近年來，國內(nèi)外許多學者提出了關(guān)于FBG交叉敏感的問題，主要考慮實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變同時測量的溫度補償方法。它們分為單FBG法和雙FBG法兩大類。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

2.5光強測溫法光強測溫法是通過光強與待測點溫度的關(guān)系來確定溫度值，故可消除溫度對波長移動的影響。該方法需要特殊結(jié)構(gòu)的FBG，而且需要利用特殊材料，同時對解調(diào)方案也有相應(yīng)的要求。光纖光柵傳感器應(yīng)變和溫度交叉敏感問題

3結(jié)束語近年來，隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，光纖光柵的傳感技術(shù)得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用。由于其擁有獨特的自身優(yōu)勢，勢必會受到越來越多行業(yè)的重視，