光纤光栅传感器.ppt

光纤光栅传感器坝败狸辈佛铂走邪屈秀备为眷唐灸烬帮慧牺鬃飞嘉媳妊丹酞魁虚熙痕齿徐光纤光栅传感器光纤光栅传感器光纤光栅传感器2光纤Bragg光栅及其传感模型23长周期光纤光栅31引言14光纤光栅传感器4坏袁纳累砰甥活棠悟垢燕包缘敬锗潍洲厉街似枫思剁善慷妊津毁根讣渤笋光纤光栅传感器光纤光栅传感器1引言光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤心内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化),在纤心内形成空间相位光栅,其作用实质上是在纤心内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜,使得光在其中的传播行为得以改变和控制。在光学层面,描述光纤光栅传输特性的基本参数为反射率、透射率、中心波长、反射带宽及光栅方程等,因此分析和设计基于光纤光栅的器件时,主要依据以上基本光学参数。作为传感单元,光纤光栅的主要优势是检测信息为波长编码的具有10-6~10-2四个数量级线性响应的绝对测量和良好的重复性。并且,插入损耗低和窄带的波长反射提供了有利于在一根单模光纤上的复用,可以实现光纤网络中的星形、串联、并联和环形连接。由于光纤的本征属性,如质轻、径细、柔韧、化学稳定、耐高温、抗电磁干扰(EMI)等,光纤光栅已被视为一种理想的传感材料。其中,基于光纤Bragg光栅的传感器是通过外界参量对其Bragg中心波长的调制来获取传感信息,这是一种波长调制型光纤传感器。所以,在研究早期,光纤Bragg光栅就被认为是理想的传感单元,适合于检测静态和动态参量,其检测信息为波长编码的绝对测量,可使传感器能自校准。对光纤而言,波长编码带来的好处是抗电磁干扰能力强,具体体现在两个方面:(1)当忽略光纤中的非线性效应时,普通的传输光纤不会影响传输光波的频率特性;(2)光纤光栅传感系统从本质上排出了曾长期困扰其他光纤传感器的光强起伏干扰,例如光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等不可能影响传感信号的波长特性。因而,基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。数着假瘁辰陶慈祁誓很攒董苦庚境骚雇耐甘二昼楔现鼎偶郭环踏羊拜井减光纤光栅传感器光纤光栅传感器1引言随着其他光纤光栅器件的出现,光纤光栅传感器的种类也日益丰富。目前,主要的光纤光栅包括光纤Bragg光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器、长周期光纤光栅传感器和光纤Bragg光栅激光传感器等。在现有的技术条件下,光纤光栅在应用于传感领域,一般需考虑以下8个主要问题:(1)光纤光栅的机械可靠性和光学可靠性。机械可靠性是指光纤光栅的抗拉、抗弯等性能;光学可靠性是指光栅的反射率、透射率、波长及带宽等光学参数在不同环境下的变化。目前,作为商品出售的光纤光栅均应通过环境试验,例如,在相对湿度为85%、温度为85℃的潮湿箱中试验1000h,其光栅的上述光学性能应无明显变化;在-40℃~85℃温度中循环1000次,光学性能也应无明显变化等。(2)光纤光栅的寿命。可以利用光纤光栅随时间和温度的变化特性来定量评估光栅的使用寿命。实验发现,高温下对光栅退火可使其在以后的使用中保持稳定。进一步实验表明,在给定温度下,衰变发生于初期,此后反射率变得相对稳定。例如,某种光纤光栅在370℃高温下开始反射率下降,之后光栅的反射率可在约2000多个小时内保持稳定。因此,利用加速老化的办法可以预测光栅反射率虽时间和温度的变化。(3)光纤光栅的封装。在写入光栅时,一般要除去保护层,因而其机械强度大为降低,因此作为实用的光纤光栅应有良好的封装,一般应考虑适当的衬底材料(如有机物和金属等)和粘贴材料(如环氧树脂和特种胶等),否则会影响其使用寿命。受驾渊榷腹石穴巾寞篓帚巍翁闪姥阮刘喇挂凳漱蹋普歌某档朔怔揖铀梁秀光纤光栅传感器光纤光栅传感器1引言(4)交叉敏感的消除。光纤光栅对于应力、应变、温度等多种参量都具有不同程度的敏感性,即交叉敏感。例如,用光纤光栅测应变时,可以采用温度补偿(包括主动补偿和被动补偿)、非均匀光纤光栅等办法对温度去敏。(5)增敏与去敏。通过特种材料的封装,提高期望参量的传感灵敏度,弱化无关参量的传感灵敏度,在检测中剥离和平滑无关参量。(6)宽光谱、高功率光源的获得。在用光纤光栅作为传感元件时,若欲扩大其测量范围,则应该使用宽光谱光源,而要提高检测的信噪比,则要求光源输出功率高。因此,光源的选择直接影响光纤光栅传感系统的量程及抗噪声能力,应予以足够重视。(7)波长移位的检测。以光纤Bragg光栅为基础构成的传感系统中,传感量主要是以波长为单位的微小移位(shift),因此,传感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。(8)光检测器的波长分辨率。光纤光栅传感系统检测灵敏度直接取决于检测波长变化的灵敏度,因此,光检测器的波长分辨率是一个光键技术问题。杂坪醇袍待藩牺募瞅由势淬缮电缉性坯阑杰孙床腰扶裔烧贾脖倚榴舍堕迹光纤光栅传感器光纤光栅传感器2光