光纤布拉格光栅传感器.ppt

1、 光纤布拉格光栅传感器光纤布拉格光栅（光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）传感器是一种近年来发展起传感器是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。11/10/20221将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位置发生变化的时候，将

2、光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位置发生变化的时候，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变Bragg中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg波波长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图2）。）。11/10/20222将将FBG传感器用于工程监测，其最大优势在于可以将具有不同栅距的布传感器用于工程监测，其最大优势在于可以将具有不同栅距的布拉格光栅间隔地制作在同一根光纤上，用同一根

3、光纤复用多个拉格光栅间隔地制作在同一根光纤上，用同一根光纤复用多个FBG传感传感器，实现对待测结构的准分布式的测量。器，实现对待测结构的准分布式的测量。FBG传感系统结构如图传感系统结构如图3。11/10/20223光纤光纤Bragg光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等领域都能发挥重要作用，所以具有广阔的应用前景。它具有体积小、重量领域都能发挥重要作用，所以具有广阔的应用前景。它具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易燃

4、，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。燃，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。FBG技术的特点：技术的特点：测量精度高测量精度高FBG应力测量精度可以达到应力测量精度可以达到1，温度测量精度可以温度测量精度可以达到达到0.1。响应时间短响应时间短单个单个FBG传感器响应时间小于传感器响应时间小于0.01s。（。（时间与时间与FBG传感器距离监控器实际距离有关）传感器距离监控器实际距离有关）测量范围大测量范围大应变测量可以超过应变测量可以超过10000。11/10/202248.3.1 传感原理传感原理光光纤纤光光栅栅的的BraggBragg波波长长是是随随光光栅栅的的周周期期和和纤纤芯芯模模的的有有效

5、效折折射射率率变变化化的的，因因此此Bragg波波长长对对于于外外界界力力、热热负负荷荷等等极极为为敏敏感感。应应变变和和压压力力影影响响Bragg波波长长是是由由于于光光栅栅周周期期的的伸伸缩缩以以及及弹弹光光效效应应引引起起的的，而而温温度度影影响响Bragg波波长长是是由由于于热热膨膨胀胀效效应应和和热热光光效效应应引引起起的的。当当外外界界的的温温度度、应应力力和和压压力力等等参量发生变化时，参量发生变化时，Bragg波长的变化可表示为波长的变化可表示为B=2neff+2neff(8.3-2)11/10/2022511/10/2022611/10/2022711/10/202288.3

6、.2 解调技术解调技术 11/10/202298.3.3 封装增敏和复用技术封装增敏和复用技术由于裸的光纤光栅直径只有125m，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装（如埋入衬底材料中），才能赋于光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。布拉格光纤光栅复用传感技术具有减少昂贵的传感元件、降低系统成本、节省能量和使用空间等优点。当布拉格光纤光栅受到应力作用或环境温度改变时，它的布拉格波长按照一定的规律发生漂移，也就是说布拉格光纤光栅传感器是波长唯一编码的。当各个光栅光谱空间必须互不重叠时，我们可以方便地将波分复用技术应用于FBG传感系统中。因为波长编码是FBG的一个重要特征，所以波分复用在复用技术中占有重要地位，但在实际的传感网络设计中，时分复用（TDM）和空分复用（SDM）技术，也有几种混合复用技术的使用方式。11/10/202210