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FBG光学传感器基础

宣布时间:2010年11月29日 13:11    宣布者:techshare
要害词: FBG , 光学传感器
近几十年以来,电气传感器一直作为丈量物理与机械情形的尺度装备施展着它的作用。虽然它们在测试丈量中无处不在,但作为电气化的装备,他们有着与生俱来的弱点,例如旌旗暗记传输历程当中的消耗,容易受电磁噪声的滋扰等等。这些弱点会组成在一些特另外应用处合中,电气传感器的应用变得相当具有寻衅性,以致完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用寻衅极好的处置赏罚赏罚措施,应用光束取代电流,而应用尺度光纤取代铜线作为传输介质。

在之前的二十年中,光电子学的生长和光纤通讯行业中年夜量的刷新极年夜地降低了光学器件的价钱,前进了质量。经由历程调剂光学器件行业的经济规模,光纤传感器和光纤仪器曾经从实验室实验研究阶段扩年夜到了现场现实应用处合,好比修建结构安康监测应用等。




图1. 尺度光纤的横截面图

光纤布拉格光栅(FBS)传感器

光纤布拉格光栅传感器是一种应用频率最高,规模最广的光纤传感器,这类传感器能凭证情形温度和/或许应变的变换来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是经由历程全息干预干与干与法或许相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤裸露在一个光强周期漫衍的光波下面。这样光纤的光折射率就会凭证其被照射的光波强度而永世改变。这类措施组成的光折射率的周期性变换就叫做光纤布拉格光栅。

当一束广谱的光束被撒播到光纤布拉格光栅的时间,光折射率被改变以后的每小段光纤就只会反射一种特定波长的光波,这个波长称为布拉格波长,以下面的方程 (1) 中所示。这类特点就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波,而其它波长的光波都邑被撒播。



在方程 (1)中,λb 是布拉格波长,n 是光纤纤芯的有用折射率,而 Λ 是光栅之间的距离长度,称为光栅周期。




图2. 光纤布拉格光栅传感器的使命原理

由于布拉格波长是光栅之间的距离长度的函数(方程 (1) 中的Λ),以是光纤布拉格光栅可以被临盆为具有不合的布拉格波长,这样便能够应用不合的光纤布拉格光栅来反射特定波长的光波。





图3. 光纤布拉格光栅透视图

应变和温度的改变会同时影响光纤布拉格光栅有用的光折射率 n 和光栅周期Λ ,组成的效果就是光栅反射光波波长的改变。光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变换可以近似地用方程 (2) 中的关系来体现:





其中 Δλ 是反射波长的变换而 λo 为初始的反射波长。

左边加号前的第一个体现式体现的是应变的变换对反射波长的影响。其中 pe 是应变光学迅速系数,而 ε 是光栅所遭到应变影响。加号前面的第二个表达式体现的是温度的变换对波长组成的影响。其中 αΛ 是热延伸系数而 αn 是温度光学迅速系数。αn 体现了光折射率由于温度变换组成的影响而 αΛ 体现了异常的温度变换组成的光栅周期的改变。

正由于光纤布拉格光栅会同时遭到应变和温度变换的影响,以是在盘算反射波长变换的时间既要同时推敲这两种因素,又要划分对其阻拦剖析。当阻拦温度丈量的时间,光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。你可以应用为此专门阻拦封装的FBG温度传感器,这类传感器能保证封装外部光纤布拉格光栅的属性不会耦合于任何外部的曲折,拉伸,挤压或曲解应变。在这类情形下,玻璃的热延伸系数 αΛ 通常在适用中是可以忽视的;以是,因温度变换而组成的反射波长的改变便可以主要由该光纤的温度光学迅速系数 αn 来决议了。

光纤布拉格光栅应变传感器在某种法式模范模范上讲就加倍严重年夜了,由于温度和应变会同时影响传感器的反射波长。为了准确地阻拦的丈量,在测试的时间,必须针对温度对光纤布拉格光栅组成的影响阻拦赔偿。为了完成这类赔偿,可以应用一个与FBG应变传感器有优胜热接触的FBG温度传感器来完成。取得测试效果以后,只须要质朴地从FBG应变传感器测得的波长改变中减去由FBG温度传感器测得的波长改变便可以从方程 (2) 中消去加号左边的第二个表达式,这样做就赔偿了应变测试中温度变换组成的影响了。

装配光纤布拉格光栅应变传感器的历程和装配传统的电气应变传感器的历程类似,而且FBG应变传感器有许多种不合的种类和装配措施可供选择,网罗环氧树脂型,可焊接型, 螺栓结实型和嵌入式型。

探询措施

由于光纤布拉格光栅可以被植入不合的特定反射波长,以是可以应用它来完成优胜的波分复用 (WDM) 手艺。这个特点使得可以在一条长距离的自力光纤上,以菊花链的形式毗连多个不合的具有特定布拉格波长的传感器。波分复用手艺在可用的光学广谱中为每个FBG传感器分配了一个特定的波长规模供其应用。由于光纤布拉格光栅固有的波长特点,就算在传输历程当中由于光纤介质的曲折和传输组成了光强的消耗和衰减,传感器测得的效果也依然能够保持准确。

每个自力的光纤布拉格光栅传感器的使命波长规模和波长探询器可探询的总波长规模决议了在一条伶仃的光纤上可以挂接的传感器的数目。浅易来讲,由于应变改变组成的波长改变会比温度改变组成的波长改厘革加显着,以是浅易会为FBG应变传感器分配年夜概5纳米的使命波长规模,而FBG温度传感器则分配年夜概1纳米的使命波长规模。又由于通常的波长探询器能供应的测试规模年夜概为60到80纳米,以是一条光纤上挂接的传感器数目浅易可以从1个到80个不等 – 虽然,这要培植在各个传感器反射波长的区域在光谱规模内不会有堆叠 (图 4) 的基础上的。是以,在选择FBG传感器的时间,须要仔细地选择标称波长和使命波长规模来保证每个传感器都有其自力的使命波长区域。








图4. 统一条光纤上挂接的每个FBG传感器必须具有其自力的使命波长规模

浅易的FBG传感器会具有几个纳米的使命波长规模,以是光学探询器必须能够完因素辨率为几个皮米以致更小的丈量 – 一个相当小的量级。探询FBG光栅传感器可以有几种措施。干预干与干与计是通常应用的实验室装备,它可以供应相当高分辨率的光谱剖析。然则,这些仪器浅易来讲异常昂贵,体积宏年夜而且不够稳固,以是在一些触及种种结构的现场监测的应用中,如风机叶片,桥梁,水管和年夜坝等情形的监测中,这些仪器都不适用。

一种加倍稳固的措施是引入了电荷耦合器件 (charge-coupled device - CCD) 和结实的疏散性单元,浅易是指波长职位转换。

在这类措施中,会用一个广谱的光源照射FBG传感器 (或许一系列FBG传感器)。这些反射光束会经由历程一个疏散性单元,疏散性单元会将波长不合的反射光束划分分配到电荷耦合器件(CCD)外面不合的职位上去。以下图5所示。








图5. 应用波长职位转换法探询FBG光学传感器

这类措施可以快速而且同时地对挂接在光纤上的一切FBG传感器阻拦丈量,然则它只供应了异常无限的分辨率和信噪比 (SNR)。举例来讲,假定我们欲望在80纳米的波长规模中完成1皮米的分辨率,那么我们须要一个网罗80,000个像素点的线性CCD器件,这个像素目的曾经好比今在市情上能够找到的最好的线性CCD器件 (阻拦2010年7月) 的目的赶过了10倍以上。另外,由于广谱光源的能量是被疏散到一个很广的波长规模中,以是FBG反射光束的能量会异常小,有时间以致会给丈量带来艰辛。

现在最盛行的措施是应用一个可调法珀滤波器来创作缔造一束具有高能量,而且能够快速扫频的激光源来取代传统的广谱的光源。可调的激光源将能量集中在一个很窄的波长规模外面,供应了一个具有很高信噪比的高能量的光源。这类系统结构供应的高光学功率让应用一条光纤挂载多个光学通道成为能够,这样便可以有用地增添多通道探询器的资源而且降低系统的严重年夜度。基于这类可调激光架构的探询器可以在一个相对年夜的波长规模外面以很窄的光谱带阻拦扫描,此外一方面,一台光探测器将与这个扫描同步,丈量从FBG传感器反射回来的激光束。当可调激光器发射的激光波长与FBG传感器的布拉格波长吻合的时间,光探测器便可以丈量到照顾的照顾。该照顾发生的时间可调激光的波长就对应了此时FBG传感器处测得的温度和/或许应变,如图 6所示。






图6. 用可调激光源法探询FBG光学传感器

应用这类措施阻拦探询可以到达年夜概1皮米的精度,对应到传统FBG传感器的精度即是约1.2微应变(FBG应变传感器)或约0.1摄氏度(FBG温度传感器)。由于可调激光源法相关于其它的措施来讲具有很高的光学功率,以是这类探询法还可以适用于光纤长度更年夜 (逾越10千米) 的丈量应用中。

FBG光学传感器的优势

经由历程应用光波取代电流和应用尺度光纤取代铜线作为传输介质,FBG光学传感处置赏罚赏罚了许多应用电气传感须要面临的寻衅和处置赏罚赏罚的艰辛。光纤和FBG光学传感器都是绝缘体,具有自动性电学特点,而且不受电磁感应噪声的影响。具有高光学功率可调激光源的探询器可以以很低的数据损掉落率以致是零损掉落来完生长距离的丈量。同时,与电气传感器系统不合,一个光学通道可以同时完成多个FBG传感器的测试,极年夜地减小了测试系统的体积,重量和严重年夜度。

在一些外部情形条件低劣的应用现场中,一些经常应用的电气传感器,例如箔应变片,热电偶,和振弦式传感器曾经很难应用以致曾经掉落效的情形下,光学传感器是一个异常理想的处置赏罚赏罚措施。由于光学传感器的用处和装配措施和这些传统的电气传感器类似,以是从电气测试妄图过渡到光学测试妄图会相对质朴。假定能够对光纤和FBG的使命原理有一个较量好的明确,那将赞助你更好地吸收光学测试手艺并驾驭这类新手艺所带来的一切优势。
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