光纤光栅传感方式的特征及优点论文

光纤光栅传感方式的特征及优点论文（通用7篇）

篇1：光纤光栅传感方式的特征及优点论文

1.引言

在对港口机械设备结构应力状态的监测中，主要有基于电阻应变电测技术的监测方法和基于光纤光栅传感技术的监测方法，其配套设备、数据采集原理、系统框架都存在巨大的差异。

2.电测式监测系统基本构成应变电测法的测量系统通常由应变片、应变仪、记录仪及计算分析设备等部分组成。它的基本原理是:将应变片按构件的受力状况，合理的固定在被测构件表面，当构件受力变形时，应变片的电阻值就发生相应的变化。通过电阻应变仪将这种电阻值的变化测量出来，并换算成应变值或输出与应变成正比的模拟电信号(电流或电压)，用记录仪器记录此电信号，再作分析与处理。也可用分析设备或计算机按预定的要求直接接受模拟电信号并进行数据处理，从而得到应力、应变值或其他物理量。基于电阻应变电测技术的港机金属结构远程在线监测系统基本框架图描述如下：

3.光纤光栅式监测系统的基本构成光纤光栅式结构监测系统的设备通常包括以下几类:①光纤光栅应变传感器;②数据接收器;③光纤光栅解调器;④工控机(数据分析系统);⑤无线局域网+远程主机等(如果需要实现远程监测，则还需要在采集器中集成数据远程传输模块)。综合看来，基于光纤光栅传感技术的港机金属监测方法系统一般框架图可以描述如下:此系统中，光纤光栅传感器直接埋入或粘贴在结构的表面，以进行结构状态的在线全程信号采集(其中包括用于结构关键部位健康状传感器和用于结构损伤诊断的传感器)，在结构上合理布置的。再用多种复杂技术(时分，频分和波分)对光信号进行直接传输。从重大工程结构上采集后的光信号，通过远程传输光纤网络，传输到健康监测和损伤诊断中心。同时，可以在中心对数据采集方式进行远程调控。

4.两种方式的比较

4．1传感原理比较

①电阻应变测试技术。电阻应变测试技术，它是采用电阻应变计(又称电阻应变片)作为传感元件将构件表面应变转化为电阻变化，然后用电阻应变仪把电阻变化转换成电压或电流变化，经放大并测量这种变化再用其他仪器记录，由所测应变换算出应力。应变片测量应变的工作原理是基于金属丝的电阻随其机械形变而变化的一种特性。令金属丝的长度为L，直径为D，截面积为A，电阻率为，则金属丝的电阻为:K与两个因数有关，一个是电阻丝材料的泊松比，由电阻丝几何尺寸改变引起，当选定材料后，泊松比为常数;另一个是电阻丝发生单位应变引起的电阻率的改变，对大多数电阻丝而言也是一个常量。因此可以认为是一个常数。由此可见，应变片的电阻变化率与应变值呈线性关系。②光纤光栅传感技术。如图3所示，当一束宽光谱光λ，经过光纤Bragg光栅时，被光栅反射回一单色光λB，相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯有效折射率neff有关。光纤光栅的传感与原理如图4所示。光纤光栅的反射或透射波长主要取决于光栅周期改变量ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参数发生改变的物理过程都将引起光栅波长的漂移，具体的关系式如下:由于光栅无论是拉伸还是压缩，均会导致光栅周期发生变化。此外，光纤本身具有的弹光效应决定了它的有效折射率neff必定随外界应力状态的变化而变化，因此应力应变是所有反映光栅波长漂移的最直接外界因素，这就是光纤光栅材料可以制作成光纤应变传感器并检测应力应变特性等基本物理参量的重要原因。试验证明，采用光纤光栅温度补偿传感器可以克服温度对应变测量的影响。

4.2传感器的性能比较

①干扰问题。电阻式传感器响应输出的电信号易受环境因素(如温度、湿度、电磁干扰等)的影响，进而导致传感的准确度、灵敏度、持久性的降低。光纤光栅传感器的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;同时光纤光栅具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点。

②分布性能及布线问题。电类传感器大多为分离型器件，不易与复合物集成，没有分布测量的能力，并且需要另外的信号传输载体，导致传感器及引线的巨大增加，现场实施困难。光纤光栅传感器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，可实现分布式传感。

③寿命问题。受光纤材料的影响，光纤传感器存在抗外力能力弱的缺点，使用时需做好保护工作。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。较为传统的传感组元和传感技术如应变片、加速度计、超声设备等并不具备上述能力，但是随着传感器制作工艺的不断精细化及其使用市场的扩大化，此类传感器的使用寿命正逐渐得到改善和加强。

④被测参量的多样、多维性。基于波长调制的光纤光栅式传感器，可以在统一的光纤介质下，依据不同原理制作生产出光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器等。在此基础下，信号的转换处理程序较为便利。⑤配套设备设施。由图1、2可知，电测式监测系统除电阻式传感器外，所需的设备有动态应变解调仪、屏蔽电缆、若干条并接应变片的电缆(有线情况下)等，而光纤光栅式监测系统除光纤光栅式应变传感器外，还需要一条串接传感器的光纤线及光纤光栅解调仪等基本设备。

5.结束语

结合上面的分析及描述，从传感原理、传感器性能以及监测系统实用性和经济性等多方面综合比较，可以得出下表1的结论。从上面的分析看来，光纤光栅式传感器在技术上整体优于应变电测式传感器。逐渐成熟并发展的基于光纤光栅传感技术的监测方法克服了电类传感器在检测中出现的相关问题，可实现远距离传感监测，且灵敏度也大大的提高，提升了整个监测系统的工作品质。光纤传感技术特别是光纤光栅传感技术应用于大型港口起重机械领域，将为大型港口起重机械健康监测和安全状况评估注入新的活力，为起重机械长期在线健康监测学科的发展带来了契机。

篇2：光纤光栅传感方式的特征及优点论文

报道了一种基于光纤激光器波长扫描寻址的高分辨率的光纤光栅传感解调方案.光纤激光器的扫描寻址过程由微机来控制.微机控制光纤激光器波长扫描的同时,同步采集、处理传感信号,并通过曲线拟合给出传感光栅的中心反射波长值.本解调方案的`波长移动分辨率为0.1 pm,可实现高分辨率的温度及应变测量.

作 者：关柏鸥 余有龙 葛春风 刘志国 董孝义 谭华耀 Guan Baiou Yu Youlong Ge Chunfeng Liu Zhiguo Dong Xiaoyi Hwa Yaw Tam  作者单位：关柏鸥,余有龙,葛春风,刘志国,董孝义,Guan Baiou,Yu Youlong,Ge Chunfeng,Liu Zhiguo,Dong Xiaoyi(南开大学现代光学研究所,天津,300071)

谭华耀,Hwa Yaw Tam(香港理工大学电机工程系,香港)

刊 名：光学学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA OPTICA SINICA 年，卷(期)： 20(11) 分类号：O4 关键词：光纤光栅   传感器   解调  

篇3：光纤光栅传感系统维护及原理研究

光纤光栅传感系统使用光纤作为测量元件和信号传输介质, 为提高光纤对温度、应力的敏感程度及准确定位能力, 采用国际最先进的光纤局部加工技术, 在普通单模光纤上制作一系列的温度敏感区———光纤光栅, 这些敏感区可以精确、灵敏地探测到周围温度的细微变化, 而光纤的其他部分只是用于信号传输, 对机械应力和环境干扰不敏感, 从而保证整个光纤光栅传感系统的高灵敏性和可靠性。

光纤光栅传感系统主要由光纤光栅温度传感器、应变传感器、位移传感器、压力传感器 (渗压计、土压计) 、光纤传感分析仪以及信号传输光缆等几部分组成。

其基本原理是利用光纤光栅传感器内部敏感元件———光纤光栅反射的光学频谱对温度和应力变形的敏感特性, 通过光纤光栅传感网络分析仪内部各功能模块完成对光纤光栅传感器的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算, 以数字方式给出各监测点的物理量测量值, 并根据预先设定的数据采集、存储、处理机制和通信程式把信息汇集到桥梁、隧道、水利、石化、电力管理系统。

1.1 光纤光栅的制作原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性:即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化, 用紫外激光直接写入法在单模光纤 (直径为0.125mm～0.25mm) 的纤芯内形成的空间相位光栅, 其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其制作方法如下图所示:

制作完成后的光纤光栅相当于在普通光纤中形成了一段长度为10mm左右的敏感区, 可以准确感测温度、应力的变化。

1.2 光纤光栅的测量原理

光纤光栅属于反射型工作器件, 当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时, 它与光场发生耦合作用, 对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光, 并沿原传输光纤返回;其余宽带光则直接透射过去。

反射回的窄带光的中心波长值随着作用于光纤光栅的温度、应变而线性变化, 从而使光纤光栅成为性能优异的温度、应变测量敏感元件。

透射过去的剩余宽带光可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列, 其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射, 全部沿原传输光纤返回。由此可实现多个光纤光栅传感器的串接复用。

光纤光栅的上述特性使之成为温度、应变、压力、位移、流量等物理量测量的优异手段, 已广泛应用于国内外土木工程结构及电力设备、化工容器、航空航天设施的安全监测。

1.3 光纤光栅的信号解调原理

由光源发出的宽带光经耦合器分光后, 一路进入光纤传感阵列, 一路进入标准波长参考模块, 经光纤传感阵列和标准波长参考模块反射回的窄带光经耦合器进入体光栅和线阵CCD组成的波长检测模块, 由体光栅分光后入射到线阵CCD上, 从而得到了光功率谱, 采用高精度算法经过数据处理后, 由通讯模块将数据发给终端PC, 通过终端PC上的客户端程序, 用户可以直观的读取和存储光纤传感阵列中任一传感器的波长值或测量值

2 光纤光栅传感系统常用器件及耗材介绍

2.1 常用光纤连接头的分类及命名

光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸连接的器件, 它是把光纤的两个端面精密对接起来, 以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去, 并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小, 这是光纤连接器的主要作用。光纤连接器是实现光纤活动连接的重要组成部分。它与光纤适配器一起实现了光纤的活动连接。

光纤跳线或尾纤是光通信及光传感中应用最为广泛的基础元件之一。它们是实现不同光电设备及系统活动连接的无源器件, 是光纤、光缆配线重要组成部分。它与光纤配线架交接箱, 终端盒配合使用, 实现不同方向的光缆的熔接、跳线和配线的灵活分配。从而实现整个光纤通信网络或光纤传感网络的数据传输和高效灵活的管理维护。

FC型光纤连接器FC型连接器采用金属螺纹连接结构, 插针体采用外径2.5mm的精密陶瓷插针, 根据其插针端面形状的不同, 它分为球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC两种结构。FC型连接器是目前世界上使用量最大的品种, 也是我国采用的主要品种。FC连接器大量用于光缆干线系统及光纤传感系统, 其中FC/APC连接器用在要求高回波损耗的场合, 如光纤光栅传感器与光纤光栅传感网络分析仪的连接;FC/PC连接器用在回波损耗要求不高的场合, 如光纤光栅传感器之间的串接等。

SC型光纤连接器SC型连接器是采用插拔式结构, 外壳采用矩形结构, 原材料采用工程塑料制造, 容易做成多芯连接器, 插针体为外径2.5mm的精密陶瓷插针。它的主要特点是不需要螺纹连接, 直接插拔, 操作空间小, 便于密集安装。按其插针端面形状也分为球面接触的SC/PC和斜球面接触的SC/APC两种结构。SC型连接器广泛用于光通信网络的光纤用户网中。

ST型光纤连接器ST型连接器是采用带键的卡口式锁紧结构, 插针体为外径2.5mm的精密陶瓷插针, 插针的端面形状通常为PC面。它的特点主要是使用非常方便, 大量用于光纤用户网中。

LC型光纤连接器LC型光纤连接器是采用插拔式锁紧结构, 外壳为矩形, 用工程塑料制成, 带有按压键。由于它的陶瓷插针的外径仅为1.25mm, 其外形尺寸也相应减少, 大大提高了连接器在光纤配线架中的密度。通常情况下, LC连接器是以双芯连接器的形式使用, 但需要时也可分开为两个单芯连接器。

MU型光纤连接器MU型光纤连接器是采用如SC型连接器那样的插入锁紧结构, 外壳与SC型连接器相似, 但由于采用了外径为1.25mm的陶瓷插芯, 其尺寸要小得多, 截面尺寸仅为9×6 (mm) 2, 而SC型连接器的截面尺寸为13×10 (mm) 2, 因此与SC型连接器相比, 它可大大提高安装密度, 特别适用于新型的同步终端设备和用户线路终端。

2.2 光纤分路器 (耦合器)

光纤分路器是将一波长的光信号按需要分成若干路信号, 为了光功率分配均匀, 常采用多个一分为二的两分支型分路器做成多分支型分路器。这种分路器的分路比常为:1×2、1×4、1×8、1×16, 最多的分路比为1×32。

2.3 光缆接续盒

也称之为光缆接头盒, 主要用于光缆的直通或分支接续, 并起到保护光纤接头作用。是光缆通信线路中不可缺少的重要组件, 它对光缆光纤连接的保护和光缆线路的通信传输质量, 起着至关重要的作用。

3 光纤光栅传感的使用及维护

3.1 光纤光栅传感器的使用及维护

3.1.1 光纤光栅温度传感器的使用及维护

(1) 要保证传感器严格安装在监测点的相应位置

用于表面测温时, 要保证传感器感温面与结构表面紧密接触, 以获得真实的测量值用于温度补偿时, 要保证与应变传感器严格处于同一温度场中。

(2) 在配置软件时, 最好采用插值法配置温度参数, 在对测温精度要求低的场合可采用拟合法。

(3) 在已建成结构测量内部混凝土温度场时, 应采用单出头的温度传感器以降低安装难度

3.1.2 用于钢结构表面应变测试的光纤光栅应变传感器使用及维护

(1) 焊接式应变传感器长期耐久性好。

(2) 贴片式 (胶粘) 应变传感器长期使用会产生波长漂移和传递系数下降主要原因为胶自身的蠕变及部分剥离导致粘接点刚度下降。

(3) 应变传感器获得良好测量精度及长期耐久性的关键在于:

传感器自身及安装后的整体防水密封性能;出厂前适度的温度和应力老化;传感器安装底面的平整程度;传感器相对于测量方向的安装准确度;传感器横向灵敏度及抗弯曲干扰程度;传感器温度漂移的补偿方式。

(4) 需要根据被测结构特性选择合适的应变传感器封装结构及量程。

3.2 光纤光栅传感系统的常见故障及维护

3.2.1 光纤光栅传感器输出测量值异常跳变

出现这种现象的原因是由于光纤光栅传感器到分析仪之间的光纤线路损耗过大, 导致光纤光栅传感器反射光谱的光功率过低, 或部分光纤光栅传感器之间的反射光谱的峰值功率相差过大, 致使光纤光栅传感网络分析仪不能够准确识别所接受到的光纤光栅传感器的反射峰, 处于临界工作状态, 产生不稳定的测量数据。

3.2.2 系统测试过程中发现光纤光栅传感器的数量减少或测量值异常偏大

出现这种现象的原因仍然是由于光纤光栅传感器到分析仪之间的光纤线路损耗过大甚至断损, 导致光纤光栅传感器反射光谱的光功率过低或无法返回到光纤光栅传感网络分析仪。致使分析仪不能够探测到部分或全部光纤光栅传感器的反射峰, 产生部分或全部传感器的测量值异常偏大。

4 光纤光栅传感网络分析仪的使用注意事项

4.1光纤传感分析仪属于精密的测试仪器, 在开机前请确认如下事项:

环境温度:0℃-40℃;环境湿度:≤10%-90%;电压范围:AC 220V±10%, 50Hz

4.2光纤光栅传感网络分析仪内部的光纤接头类型为FC/APC, 因此, 将光纤光栅传感器接入到分析仪的前面板接口时, 请确认与分析仪面板相连接的光纤的接头类型为FC/APC型且已用酒精棉擦拭洁净。

4.3 请不要将无关的软件安装到光纤光栅传感网络分析仪上, 以免影响系统的稳定性。

4.4将USB移动存储器插入光纤光栅传感网络分析仪之前, 请保证该移动存储设备未被计算机病毒感染。

4.5 在运行传感网络分析仪程序之前, 请确认已退出防火墙或杀毒程序, 并关闭其他应用程序。

4.6不推荐用户在光纤光栅传感网络分析仪上安装杀毒软件, 因此, 将光纤光栅传感网络分析仪连接到其他计算机上时, 请确认该计算机未受病毒的感染。

4.7在光纤光栅传感网络分析仪使用完成后, 应采用正常的关机流程:

关闭程序软件, 通过WONDOWS程序关闭光纤光栅传感网络分析仪的电源, 关闭与分析仪电源线连接的插座电源。

摘要：光纤光栅传感系统使用光纤作为测量元件和信号传输介质, 为提高光纤对温度、应力的敏感程度及准确定位能力。文章对光纤光栅传感系统的基础知识、系统维护、制作原理及使用注意事项进行了简要的论述。

关键词：光纤光栅传感,系统维护,原理

参考文献

[1]田大伟.光纤光栅传感系统及对温度传感的研究[J].北京工业大学, 2003-05-01.

篇4：光纤光栅传感方式的特征及优点论文

关键词:光纤光栅传感 光纤F-P腔 解调 实验研究

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.020

1 引言

光纤光栅传感器属于波长调制型光纤传感器。分布式传感器是指能同时测量空间多个点的环境参数,甚至能测量空间连续分布的环境参数。由于光纤光栅感应的信息用波长编码,而波长这个绝对参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响,还特别容易在一根光纤中连续制作多个光栅,所制得的光栅阵列轻巧柔软,与时分复用和波分复用[1,2]技术相结合,很适于作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面,对它们的温度、压力、应变等实现多点监测[3,4]。

2 光纤光栅传感原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化)[5,6,7],在纤芯内形成空间相位光栅,其作用实质上是在纤芯內形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜 [8,9]。

假设光纤为理想的纤芯重掺锗阶跃型光纤,并且折射率沿轴向均匀分布,包层为纯石英,此种光纤在紫外光的照射下,纤芯的折射率会发生永久性变化,对包层的折射率没有影响。利用目前的光纤光栅制作技术,如全息相干法、分波面相干法及相位模板复制法等[10],生产的光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。纤芯中的折射率分布如图2-1所示。其中n1(z)为纤芯的折射率,Δnmax为光致折射率微扰的最大值,n1(0)为纤芯原折射率,Λ为折射率变化的周期(即栅距),L为光栅的区长度。

当光纤光栅处于谐振状态时具有最大的反射率,且反射中心波长 [11],该方程称为光栅Bragg方程。基于光纤光栅传感器的传感过程就是通过外界参量对Bragg中心反射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。

3 基于光纤F-P腔的光纤光栅传感器解调方法

本文设计的分布式光纤Bragg光栅传感器是利用腔长可调光纤F-P腔对光纤Bragg光栅反射回的光波进行滤波,即当光纤Bragg光栅反射中心波长满足光纤F-P腔的产生干涉极大值的相位条件时,反射光波能够透过光纤F-P腔,在其透射端得到干涉极大光强,然后根据光纤F-P腔腔长的变化来得到光纤Bragg光栅反射波长的变化,进而由计算得到光纤Bragg光栅传感点的被测量的变化。

本文设计的光路如图3-1所示,光源LED(Light Emitting Diode) 发出的光经光纤耦合器耦合到两段反射中心波长不同的光纤Bragg光栅中,光纤Bragg光栅反射回的不同波长的光波再经由耦合器并通过熔接耦合到多模可调光纤F-P腔中,光纤F-P腔的调节利用了压电晶体的逆压电效应,即压电晶体的电致伸缩性。将光纤F-P腔同压电晶体粘在一起后,通过调节加在压电晶体上的电压就能改变光纤F-P腔的腔长,利用光纤F-P腔腔长的不同,就可以由多光束干涉原理实现对光纤F-P腔的透射光的波长选择,即可以对光纤Bragg光栅反射回来的光波实现滤波。透过光纤F-P腔的光纤反射光由光电探测器接收,当光电探测器接收到满足要求的光信号后,即启动采样/保持系统来采样加在PZT上的电压,由加在PZT上的电压可以求得PZT由电致伸缩效应产生的形变,进而求得光纤F-P腔的腔长的改变,从而得到光纤F-P腔透射光波的波长,即为光纤Bragg光栅反射光波的波长。因为光纤F-P腔的腔长不同,对应的透过光波的波长不同,而且光纤F-P腔具有一定的可调谐的范围;再根据传感光栅反射波长的移动范围即可得到透射光波对应的光栅传感点,所以由图示光路即可实现光纤Bragg光栅的分布式传感。

4 实验装置及结果分析

4.1实验装置

分布式光纤Bragg光栅传感器实验系统主要由2个光纤Bragg光栅(反射波长分别为1299.760 nm 和1300.720 nm)、光源、稳压电源、光纤耦合器、光路滤波系统、光电转换系统和单片机处理系统等几部分组成,整个系统示意如图4-1所示。

4.2传感器的特性实验

光源发出的光经光纤耦合器耦合入光纤Bragg光栅,经光纤Bragg光栅反射后的光波再经光纤耦合器耦合到由PZT调节腔长的光纤F-P腔;当光纤F-P腔的腔长与光纤Bragg光栅反射波的波长满足相位关系时,则光纤Bragg光栅反射光波透射过光纤F-P腔;该透射光经PIN接收放大滤波后得到的结果可以由示波器测得;显示的结果与PZT驱动电路的驱动电压相结合即可得到反射波长处的PZT电压值;根据此PZT电压值即可得到光纤F-P腔长的变化,然后由关系式计算得光纤Bragg光栅反射波长的变化。根据以上方法可以进行分布式光纤Bragg光栅传感器特性实验。

4.2.1温度特性实验

设计过程中需要对传感光栅进行温度实验,实验有两种方法,一种方法为在温控柜中进行常温下的升温降温实验;别一种方法是在水中将水进行不断的升温和降温来改变传感光栅的外界温度,由此测量传感光栅的反射波长变化,结合实际应用水温及温控柜的温度变化范围为20℃~90℃。

实验中需要注意的事项是加热到一定的温度后,测试数据前先拔掉电源,等传感器周围温度不再明显变化了以后再记录数据。这样能够使光纤传感器更加适应环境温度,反应出来的波长变化也就越接近实际的传感光纤的温度特性。

图4-2和图4-3分别为光纤Bragg光栅1和光纤Bragg光栅2在水中做温度实验时的温度与反射波长变化的关系。该变化关系的取得是通过首先测得光纤Bragg光栅反射波长处的PZT加压值,然后经过计算得到光纤F-P腔长的变化值,再由此变化得到光纤Bragg光栅反射波长的变化值。通过取得的PZT两端所加电压值的范围,来定位光纤Bragg光栅点也就是被测量的位置。

在实验中对传感光栅没有任何应力干扰,所以实验结果就为光纤Bragg光栅的温度传感结果。从图中可以看出,光纤Bragg光栅作为温度传感具有良好的线性度。

4.2.2应力应变特性实验

将光纤Bragg光栅应变传感器应用于建筑物的测量中,可实现对建筑物的实时监测,测试方法是通过光纤Bragg光栅把所测的机械量(应变变化)转换成光纤Bragg光栅反射波长的变化。光纤Bragg光栅应变传感实验装置如图4-4所示。将光纤Bragg光栅分别用环氧树脂粘在不同的试棒上,在试棒上加不同的拉力,由弹性力学知,在试棒的弹性范围内,试棒所受的拉力和应变成正比,所以在实验中对试棒进行拉伸,即可得到光纤Bragg光栅的应变特性。由实验得到反射波长处的PZT加压值,图4-5,4-6为经过换算后的拉力与光纤Bragg光栅反射波长变化之间的关系。

由于实验是在恒温下进行的,所以可忽略温度的影响,图4-2和图4-3反映的只是光纤Bragg光栅应变传感特性。从图中可以看出光纤Bragg光栅作为应变传感具有良好的线性度。

4.3实验结果分析

由实验方法的分析,可知图4-2、图4-3、图4-5、图4-6中所示的传感光纤Bragg光栅的反射波长位移,是首先取得反射波长处的PZT驱动电压值,然后计算得到的,所以计算结果保留的小数位数并不能代表传感器的传感精度。为了验证传感器的精度我们利用武汉理工大学研制的BGD-L05A型光纤光栅解调器对实验中的两段光纤Bragg光栅在相同条件下进行了实验,该解调器的精度为0.05 nm。将进行比较的数据分别列于表4-1和表4-2中。表中波长位移1、2为BGD-L05A测得的数据。

由表4-1和表4-2的数据对比可得到该分布式光纤Bragg光栅传感器的精度至少为0.1 nm。影响系统测量精度的主要因素有压电晶体逆压电效应的响应时间,以及PIN的响应时间等,这些时间的延迟导致测得的波长位移量偏大,另外光纤F-P腔由于受到外界环境干扰也会使得测量的结果产生误差。

由图4-2得到系统的关于光纤Bragg光栅1的温度灵敏度为11.521 pm/℃,由图4-3得到系统的关于光纤Bragg光栅2的温度灵敏度为11.483 pm/℃;由图4-5得到系统的关于光纤Bragg光栅1的应变灵敏度为71.5 pm/KN,由圖4-6得到系统的关于光纤Bragg光栅2的应变灵敏度为58.6 pm/KN。它们的线性拟合度都在0.99以上。通过实验说明本课题设计的分布式光纤Bragg光栅传感器的精度为0.1 nm,在分别测量温度和应变时具有良好的线性拟合度,测量得到的结果与理论分析相吻合,适合作为传感应用。

5 小结

本文设计了分布式光纤Bragg光栅传感器的实验方案,并根据实验方案对传感器进行了温度特性和应变特性的实验,将实验结果同BGD-L05A型光纤光栅解调器的测试结果相比较,得出了文章设计的分布式光纤Bragg光栅传感器的测量精度,并由实验结果得到了系统对温度和应变的灵敏度。

参考文献

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篇5：光纤光栅传感方式的特征及优点论文

【关键词】光纤光栅传感器 关键技术 应用探索

光纤光栅是一种新型的光子器件，它在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。

光纤光栅的研究与发展归功于1978年加拿大的Hill等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1989年美国的Meltz等人发明的紫外侧写入技术。随后，1993年Hill与Lemaire分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热潮。

1.光纤光栅应变传感模型分析的前提假设

外界应力的改变会引起光纤Bragg光栅波长的移位。从物理本质来看，引起波长移位的原因主要包括三个方面：光纤弹性形变、光纤弹光效应及光纤内部引起的波导效应。为了能得到光纤光栅传感器更详细的数学模型，对所研究的光纤光栅做以下假设：

作为传感元，光纤光栅的结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所有外包层的影响。从光纤光栅的制作工艺可知，要进行紫外曝光，必须去除光纤外包层，以消除它对紫外光的吸收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构的分析更直接地反映了公式本身的传感特性，而不至于被其他因素所干扰。

由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循Hooke定理，且内部不存在切应变。只要不接近光纤本身的断裂极限，该假设是成立的。

紫外光引起的光敏折射率变化在光纤截面上均匀分布，且这种光致折变不影响光纤自身各向同性的特性，即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。

所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间变化的的情况。

根据以上假设，可以得出单纯光纤光栅的应变传感的数学模型。

2.光纤光栅温度传感器模型分析的前提假设

外界温度改变同样会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能够得到光纤光栅温度传感器更详细的数学模型，对研究的光纤光栅做一下假设：

（1）仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层及被层物体由于热效应而引发的其他物理过程。很自然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层（如弹性塑料包层、金属包层等）不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生不同的影响。

（2）仅考虑光纤的线性热膨胀区，忽略温度对热膨胀系数的影响。由于石英材料的软化点在2700℃左右，所以在常温范围内完全可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。

（3）在1.3～1.5μm的波长范围，认为热光效应在研究的温度范围内保持一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。

（4）仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温度效应。因为一般光纤光栅的尺寸仅为10mm左右，所以认为它处于一均匀温场并不会引起较显著的误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力的影响。

基于以上几点假设，可以得出单纯光纤光栅的温度传感模型。

3.光纤光栅温度传感器的仿真

设计一种光纤光栅温度传感系统：

温度范围为-20℃～80℃；

测量精度为±1℃；

光栅中心波长为1525～1565nm。

对于熔融石英光纤，其热光系数 ，线性热膨胀系数 。忽略波导效应，将 ， 代入式，可得中心波长分别为1331nm、1500nm、1550nm的裸光纤光栅的相对波长移位与温度变化的对应关系。可以看出，裸光纤Bragg光栅测量温度的线性度比较好，中心波长越长，灵敏度相对越好，测量也就越精确。但是总的来说，裸光纤Bragg光栅的灵敏度还是比较低的，所以实际运用中比较常用的改进方法就是将光纤光栅粘贴在温度灵敏度比较大的基底材料上，或者采用带有机械结构的光纤光栅温度传感器进一步提高灵敏度，达到更好的效果。

宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感FBG。由FBG反射后形成窄带光谱，通过线性滤波器得到两路出射光功率与波长有关的光信号。光电探测器PIN将其转换为电信号，进入信号采集处理电路提取有用信号，并由单片机控制系统实现数据采集与数据处理。

解调系统利用线性滤波的光波透过率变化特性来鉴别光波长。在线性滤波器的工作范围内，每一个波长对应一个透过率，因此检测透过率便可以反推出波长信息。因此，通过测量两路透射光功率的比值P1/P2，即可获得波长信息Δλ。同时利用双光路探测来消除光源功率波动和温度变化的影响，用信号采集处理电路和微控制器运算的精度将直接影响解调系统的检测精度。

结论

光纤光栅传感已被国内外公认为是最具有发展前途的高新技术之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。通过MATLAB进行仿真实验，进一步验证了光纤Bragg光栅传感的特点。最后根据实际需要，设计了一种剪刀型机械结构与线性滤波解调相结合的灵敏度显著提高的光纤光栅温度传感器系统。本文通过对基于光纤光栅的光传感器的研究，基本完成了其研究目的。

【参考文献】

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篇6：光纤光栅传感方式的特征及优点论文

基于工业流体流量测量技术、光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感检测技术与靶式流量计原理，针对单个光纤Bragg光栅传感系统对温度交叉敏感的问题，设计并且制作了一种基于双光纤Bragg光栅流量传感器。该传感器采用靶盘结构作为光纤Bragg光栅流量传感器的受力元件，对温度起到了补偿作用，并且有效地提高了应变测量灵敏度。实验表明，该流量传感器的线性误差为0.31%。

关键词：

光纤Bragg光栅； 靶式流量计； 温度补偿； 传感器

中图分类号： TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.016

Abstract：

Based on industrial fluid flow measurement technology，fiber Bragg grating（FBG） sensing technology and target type flowmeter for overcoming a single fiber Bragg grating sensing system for temperature sensitive issue cross，we design and produce a fiber Bragg grating based on dual-fiber Bragg grating sensor flow control.The sensor uses the target disk structure as force element for temperature compensation，and effectively improves the strain measurement sensitivity.Experimental results show that the flow sensor linearity error is 0.31%.

Keywords： fiber Bragg grating； target flowmeter； temperature compensation； sensor

引言

随着光纤光栅写入技术的不断完善，应用成果日益增多，光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。在光纤传感方面，光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）为光纤传感技术开辟了一个新的应用领域，采用适当的封装技术可以实现温度、震动、压力、应变、电压、位移、加速度、电流、磁场、浓度等多种参量的测量[1]。光纤传感器具有质量轻、体积小、无源操作、功耗小、抗电磁干扰强、灵敏度高、带宽宽和环境耐受力强等优点。在多种参量同时测量时具有明显优势，因此可以在易燃易爆环境中进行流量检测。FBG的传感器具有非常广阔的应用前景，本文采用了两根FBG与悬臂梁结合为一体的设计方式，实现了一种由两个FBG传感器组成的流量传感系统。

1光纤光栅原理

FBG在紫外光照射下，光纤的折射率会产生变化，在纤芯上形成周期性的折射率分布，从而可以对入射光中相位匹配的频率产生相干反射，且形成中心反射峰[2-4]。根据模耦合理论，宽带光在FBG中传输时，会引发模式耦合，由FBG方程可知其中心波长λB为[5]

式中：λB为FBG的中心波长，即反射波的波长；Λ为光栅周期；n为纤芯的有效折射率。假设FBG仅受轴向应变作用，温度维持不变，则由式（1）得到轴向应变引起的FBG波长变化为

式中：ΔΛ表示在应力作用下的光纤的弹光变性；neff表示光纤的弹光效应。外界不同的应力状态也将导致ΔΛ和neff的不同变化。光纤产生应变时，FBG的栅距和折射率同时发生变化，引起后向反射光光波移位，因此有

式中：pe为光纤材料的弹光系数；Δε为光纤光栅的轴向应变变化量；αf为光纤热膨胀系数；ξ为光纤材料的热光系数；Kε为FBG的应变响应系数；KT为FBG的温度响应系数；ΔT为温度变化量。

可见温度、应变的变化都能够引起FBG波长变化，所以解决FBG对温度、应变的交叉敏感问题，可以提高传感器装置的测量精度。

FBG流量传感器的测量原理是将作为流体的液体或气体流动形成的力直接或间接地作用到粘贴有FBG的悬臂梁上，使得FBG跟随悬臂梁发生形变，从而使光栅反射波的中心波长发生改变，经过检测FBG反射波的中心波长变化大小，从而计算出外界流体流量的大小。

2FBG流量传感器

2.1传感器的结构和原理

图1和图2分别为FBG流量传感器的测量装置和靶盘图，当流体流过管道时，流体作用在靶盘上，使靶盘产生形变，悬臂梁则受到来自靶盘的力。悬臂梁是等强度梁，沿悬臂梁的前后表面中间竖直对称位置粘贴FBG，梁的应变致使粘贴在悬臂梁上的FBG发生形变，从而造成FBG中心波长的偏移。当流体冲击靶盘时，流体在靶盘上产生压力，作用在靶盘上的力为[6]

式中：CD为阻力系数；ρ为流体密度；v为流体流速；S1=πd22为靶盘受力面积，其中d为圆形靶盘的直径。

由等强度悬臂梁轴向应变ε与自由端应力F的关系得到[7]

式中：L为悬臂梁的长度；h为悬臂梁的厚度；E为悬臂梁材质的杨氏模量；b0为悬臂梁固定端的长度。设悬臂梁和光纤光栅的形变量相同，再根据式（3）就可以推导出FBG的波长偏移量与流速的关系。我们还可以根据FBG的形变量引起FBG中心波长微小变化的函数关系，建立Δλ/λ与ε间的关系，进而可建立Δλ/λ与流体流速之间的关系，即

通过测定流体作用下导致光纤光栅中心波长的变化量，来计算流体流速v，最后得出流体体积流量为

nlc202309091025

式中：S2为管道横截面积；R为管道半径。由此可知，当流体流经管道造成靶盘变形时，通过监测光纤光栅中心波长的变化量Δλ就可确定流体的流速，从而获得管道内流体的体积流量。

2.2温度补偿措施

光纤光栅不仅对应力应变敏感，亦对温度敏感，为环境敏感元件。为确保光纤光栅流量传感元件仅反映流量信息，须消除温度交叉敏感效应[8-9]。为了去除温度交叉敏感效应，并且同时提高测量精度，可以将双FBG对称地粘贴在悬臂梁前后中心线上，此时温度引起的两个FBG中心波长的漂移量是相同的，方向却相反[10]，即：

由此可见，两个FBG波长的偏移量与被测流速二次方成正比。

最后可得到中心波长的偏移量与流体体积流量的关系式为

3实验结果

实验参数：水管的半径为R=15 mm，流体密度ρ水=1 000 kg/m3，悬臂梁末端长b0=6 mm，靶盘直径d=25 mm，悬臂梁（材质为有机玻璃）长L=30 mm，厚度h=1 mm，pe=0.22。实验中，FBG中心波长为1 550 nm，两个FBG分别粘结在等强度悬臂梁的前后表面，因而当悬臂梁发生形变时，两个FBG产生的应变大小相等方向相反。在此试验中，来自微机控制可调谐激光光源（ASE-C）的光经三端口光环形器通过1×8光开关，到达两个FBG流量传感器，经过FBG流量传感器且位于布拉格反射波长附近的一部分光被反射，返回光环形器被FBG解调器检测。使用两个FBG，可实现温度和压强补偿。当悬臂梁由于流体流动而弯曲时，面朝流体方向的FBG长度会变大，而在背面的FBG将会减小，两个光栅的长度都会发生变化，但方向相反，这样得到的两根光栅中心波长漂移量差值仅由流量及悬臂梁材料决定，而与外界的温度和压力无关。通过两个FBG之间的互相补偿，消除了压强和温度变化的影响，可真正测出流体的流速。实验测得数据如表1所示。在MATLAB软件仿真下，根据式（12）得到仿真图形，仿真值和实测值如图3所示。由实验得到所设计的流量传感器可测量范围为0～3.96 m3/s，线性误差为0.31%。

4结论

FBG传感器继承了传统光纤传感系统的优点，具有可测参量多、体积小、抗电磁干扰强、耐高温、耐腐蚀等特点，同时具有对光强变化不敏感、可绝对测量、容易复用等优点。本文通过FBG传感原理的理论分析，设计了基于靶式流量计原理的三角形悬臂梁FBG流量传感器。通过室内实验，测量了不同流量作用下FBG中心波长的漂移情况。实测结果表明，FBG中心波长的偏移量随着水流量的增大而变大。FBG在外力的作用下发生形变，其中波心长的偏移量随着外应力的增大而增加，呈线性关系，变化规律与仿真结果相吻合。基于FBG传感器还有着许多需要深入研究的课题，随着各种新型的FBG的出现，FBG将在不同参量的检测中得到有效的应用及推广。

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篇7：光纤光栅传感方式的特征及优点论文

关键词： 光纤Bragg光栅； 应变传感器； 桥梁监测

中图分类号： TN 247； TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.004

引言

桥梁安全关系着人们的生命安全和社会经济活动[1]，建成的桥梁结构应具有良好的承载性、耐久性、满足使用寿命。一般重要的大型桥梁结构服役期长达几十年，甚至上百年，在疲劳、腐蚀与材料老化等不利因素的共同作用下，不可避免地产生损伤积累。云南省盆地河谷、山地、丘陵高原相間分布，独特的立体气候类型（气候要素的垂直变化显著），位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近（地震活动频繁和强烈），这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件，决定了云南省的桥梁在使用中出现衬砌开裂、错台、掉块、渗水等病害的几率更高[24]，危及行车安全，严重的甚至被迫关闭交通。因此，对桥梁结构监测，及时发现初期病害，及时预警具有重要意义。

本文把光纤Bragg光栅表面式应变传感器应用于桥梁结构健康监测，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测，掌握桥梁二衬的受力与变形情况，分析处理测量数据，预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，为处置提供关键技术参数。

1光纤Bragg光栅应变传感特性与技术参数

建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用[89]。其中，应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。

本次监测的桥梁为云南省具有最大的预应力钢筋混凝土拱桥。由于该桥采用新的设计理念、方法和成桥工艺，且跨度大、施工复杂、交通流量大、超载车辆多和环境气候特殊等原因，必然会造成大桥轻微的结构松散和有少量裂隙。施工中，桥梁的左洞右侧拱部即出现宽度为1～3 mm的不规则裂纹，如图2所示。

通过测量和分析桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后安全畅通。

2.2传感器布设及传感网络结构

（1）传感器布设

为对桥梁左线K6+130～+302（K6为定标桩号，桩号后的正数是离该桩的距离，单位为米）裂缝区域进行长期监测，设计在K6+120～+310的范围内间隔1 m布设一个监测断面，总计20个监测断面，每个监测断面布设7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器，如图3所示。

3结论

本文应用光纤Bragg光栅表面式应变传感器，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测分析，以了解桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；通过量测分析预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后运营安全。历经春夏秋冬，跨越雨、旱两季，在近一年时间内对裂缝存在区域的20个监测断面进行监测，监测结果表明，光纤光栅应变传感器的应变量在正常范围内，反映在监测期，桥梁结构稳定无异常变化。

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