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光纤光栅传感器的原理及特点介绍

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admin 发表于 2019-1-25 10:33:58 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
   光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种,该光纤传感器主要是基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息,是一种波长调制型光纤传感器。
 光纤光栅传感器的结构
 光纤布拉格光栅FBG于1978年发明问世。它利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内,从而在光纤上形成周期性的光栅,故称为光纤光栅。图l所示是其光纤光栅传感器的典型结构。
 在图1所示的光纤光栅传感器结构中,光源为宽谱光源且有足够大的功率,以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50~100 μW。而当被测温度或压力加在光纤光栅上时。      由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器,然后通过光探测器进行光电转换,最后由计算机进行分析、储存,并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。
 光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外.还具有在一根光纤内集成多个传感器复用的特点,并可实现多点测量功能。

光纤光栅传感器

光纤光栅传感器


 光纤布拉格光栅原理
 光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件
 式中,λB为Bragg波长,n为有效折射率,A为光栅周期。
 当作用于光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发生变化时,会引起n和A的相应改变,从而导致λB的漂移;反过来,通过检测λB的漂移。也可得知被测物理量的信息。Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准分布式测量上。温度和应力的变化所引起的λB漂移可表示为:
 式中,ε为应力,P[i,j]为光压系数,v为横向变型系数(泊松比),α为热胀系数,△T为温度变化量。一般情况下, (2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]/2因子的典型值为0.22,可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力相应条件值为:
 利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化的不同,可实现对磁场的直接测量。如通过在光栅上涂敷特定的功能材料(如压电材料),可实现对电场等物理量的间接测量。

 长周期光纤光栅

 长周期光纤光栅(LPG)是一种新型的光纤光栅,光栅周期一般大于100μm,是继FBG之后光纤光栅传感器的另一分支。长周期光栅的透射峰波长主要与光栅的栅格周期以及纤芯和包层的折射率有关,其相位匹配条件可表示为:
 当光纤包层模与外界环境相互作用时,被测因素的变化将对光纤的传输特性进行调制,从而使LPG的透射谱特性发生变化。这样,探测出LPG透射谱线的变化,即可推知被测变量的变化,这就是LPG传感的基本原理。

 分布式光纤光栅传感系统

 目前,除光纤光栅型传感器的原理性研究之外,分布式光纤传感系统也是一个重要的研究重点。分布式FBG传感系统是在一根光纤中串接多个FBG传感器,每个光栅的工作波长相互分开,在经过3 dB耦合器取出反射后,再用波长探测解调系统同时对多个光栅的波长偏移进行测量,从而检测出相应被测量的大小和空间分布。
 分布式光纤传感系统是一种传感器网络,它可以从整体上对被测对象的有关物理量的变化时间、位置进行监控。通过对分布式光纤传感器、执行结构、信号处理系统、传输系统和控制系统的结合,可形成一个智能结构。目前,分布式光纤传感系统通常有拉曼型、布里渊型和FBG型三种类型。

 光纤光栅传感器的特点与优势:
 光纤光栅传感器特点:
 (1)抗电磁干扰:一般电磁辐射的频率比光波低许多,所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。
 (2)电绝缘性能好,安全可靠:光纤本身是由电介质构成的,而且无需电源驱动,因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。
 (3)耐腐蚀,化学性能稳定:由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳定性,因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。
 (4)体积小、重量轻,几何形状可塑。
 (5)传输损耗小:可实现远距离遥控监测。
 (6)传输容量大:可实现多点分布式测量。
 (7)测量范围广:可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、 电压、液位、液体浓度、成分等。
 光纤光栅传感器优势:
 (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变 适合埋入大型结构中 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等 稳定性、重复性好;
 (2) 与光纤之间存在天然的兼容性 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;
 (3) 具有非传导性 对被测介质影响小 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点 适合在恶劣环境中工作;
 (4) 轻巧柔软 可以在一根光纤中写入多个光栅 构成传感阵列 与波分复用和时分复用系统相结合 实现分布式传感;
 (5) 测量信息是波长编码的 所以 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响 有较强的抗干扰能力;
 (6) 高灵敏度、高分辩力。


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