光纤光栅传感器（精选12篇）
光纤光栅传感器 第1篇
光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Gratings,FBG)传感器是近年来发展极为迅速的一种新型传感器件,它具有安全性能好、精度灵敏度高、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀等优点,在机械、医疗、航空航天等领域得到广泛应用。光纤Bragg光栅传感器种类繁多,本文仅从应用角度,介绍几种能够对温度、应力、气体浓度等物理量进行测量的传感器工作原理和特点。
1 光纤Bragg光栅简介
1.1 传感原理
FBG相当于一个窄带滤波器,当宽谱光经过光栅时,会有波长满足一定条件的光被反射,而其他波长的光将被透射,如图一所示。
式(1)为波长匹配条件
式(1)中:λB为布拉格(Bragg)波长,即光纤光栅中心反射波长;neff为光纤传播模式的有效折射率;∧为光栅周期。对式(1)取微分得到:
可见,当光栅周围环境的温度、应力等物理量发生改变时,将会使纤芯有效折射率或光栅周期随之变化,从而使Bragg波长产生漂移。通过检测Bragg波长的漂移量即可掌握上述物理量的变化情况[1,2]。该检测技术称为解调,是光纤Bragg光栅传感的关键技术。迄今为止,国内外研究人员已经从不同方面提出了多种解调方案,如干涉法、滤波法、可调谐光源扫描法等[3,4,5],本文不做赘述。
1.2 光纤Bragg光栅传感器的优点
与传统的电磁类传感器相比,FBG传感器传输测量信息的载体是光波,在光纤中传输时不受一般电磁噪声的影响,能够避免雷电干扰,应用于桥梁、大坝安全监测领域。另外,光纤光栅传感器是化学性能稳定的电绝缘和电无源器件,特别适合工作在需要高压隔离和易燃易爆的恶劣环境中。
与传统的“光强型”、“干涉型”光纤传感器相比,FBG传感器的测量信号为波长调制,这一传感机制使得测量信号不受光源起伏、光纤微弯损耗等影响光强的因素制约。同时也避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的依赖。光纤光栅传感器还具有尺寸小、易于采用波分复用、时分复用等技术组建智能传感网络进行分布式测量等众多优势,从而在传感领域受到关注。
2 用于温度测量的光纤Bragg光栅传感器
2.1 原理
当光纤光栅周围环境中不受其他物理量影响,仅受温度变化影响时,Bragg波长漂移量与温度的关系如式(3)所示:
式(3)中:为光纤的热膨胀系数;为光纤的热光系数;△λB为Bragg波长漂移量;△T为温度变化量;λB为光纤光栅不受温度影响时的Bragg波长。
若不考虑温度对光纤的热膨胀系数和热光系数的影响,则两者为常量。由式(3)可知Bragg波长漂移量正比于温度变化量,比例系数为温度灵敏度。在1550nm窗口,该值约为8.2pm/℃至12 pm/℃[6]。
2.2 应用
FBG的小尺寸和电绝缘性在医学应用当中具有重要意义。对人体组织功能进行内部测量时,FBG将传感器对人体的伤害降到最小程度,且能够完全避免医疗过程的干扰,不存在漏电、电击的危险。现代医学发展的一大趋势是使用高频电流、微波和激光进行热疗法代替外科手术。在这种疗法中,强电磁场或超声波压力场会在人体组织局部产生每厘米十几度的温度梯度,准确测出温度分布就变得非常重要。由若干个FBG组成的阵列式温度传感系统可以内部实时地检测病变组织的热性质,分辨率可达到0.1℃[7]。
FBG温度传感器还被用来对油气井进行长期监测。在国外,油气井永久性光纤Bragg光栅传感监测系统已经被大量安装、广泛使用。从1999年到2004年Cidra公司陆续在70多口井中安装了光纤Bragg光栅传感器。使用过程证明,Bragg光栅传感器在高温高压井中测量井下参数非常稳定、可靠[8,9]。
另外,电力系统也是FBG传感器发挥优势的重要领域。电力系统的设备往往都处在强电磁场中,一般的电类传感器无法对高压开关、高压变压器绕组、发电机定子等处的温度进行实时测量。还有一些位于远地的电力设备,如山区、荒漠中的传感电缆、中继变电站,若使用传统方法和设备对其进行监测,需耗费大量人力物力。FBG传感器的无源、绝缘、体积小,便于组成分布式系统等优势在这一领域得以体现,因此FBG在电力工业中具有良好的应用前景。
3 用于应力测量的光纤Bragg光栅传感器
3.1 原理
光纤光栅周围环境中仅有应力应变作用引起的Bragg波长漂移量为:
式(4)中:pe为光纤的弹光系数;λB为光纤光栅不受应力时的Bragg波长;ε为外加轴向应变;K为光纤光栅相对应变灵敏度系数;△λε为应变引起的波长漂移。当光纤光栅材料选定之后,K为常数。对于熔融石英光纤,波长为1.3μm时,光纤光栅单位纵向应变引起的波长漂移量为1.02pm/10-6[10]。
3.2 应用
1993年,在加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail大桥上,人们首次使用16个光纤光栅传感器粘贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤符合材料筋上,对桥梁结构进行长期检测。这是光纤光栅传感器诞生以前,其他类型的传感器所不能实现的[11,12]。
2003年,我国清江水布垭水电站地下厂房在岩锚梁施工时,在预应力锚杆上布设了三十五个光纤光栅传感器,检测地下洞体围岩的稳定状况。后期观测数据显示,大部分测点能够反映围岩实际受力的变化,为施工提供了可靠的安全信息。
Bragg光栅传感器在采矿业中也发挥着重要作用。开采过程中的挖掘和爆破将造成周围地层的应力体系变化,引起环境不稳定从而威胁工人的安全。德国的GFZ Potsdam开发了一种名为FBX地脚螺栓的光纤光栅传感器,在一根玻璃纤维增强聚合物岩石地脚螺栓中埋入光纤光栅,用于在地下采矿过程中测量岩石构成和岩土工程中的应变。这种传感器能够监测地下复杂地质数据场应力变化情况,对于保障安全生产具有重要的现实意义[13]。
4 用于水声压测量的光纤Bragg光栅传感器
4.1 原理
使用FBG可以制作水声传感器,即水听器。将FBG置于水中声场,在水声压作用下,光纤光栅轴向长度和纤芯折射率将发生相应变化。由式(2)可知,Bragg反射中心波长会发生漂移,检测此漂移量可得到水听器处的声压信号。来自光源的宽谱光经过光栅时,波长满足式(1)的光被反射,反射光的强度为:
式(5)中:Is为入射到FBG的光强度;λγ为反射光波长;Id为解调装置探测到的反射光强;R(λγ)为光纤光栅的反射函数。设FBG周围的水声压为:
式(6)中:pA为水声压的幅度;ωA为水声压的频率。水声压作用在光栅上,受弹光效应的作用Bragg反射中心波长发生漂移。由于波长漂移量通常很小,可以认为它与施加的声压成正比。R(λγ)随Bragg波长的变化关系为:
将式(7)带入式(5)中得到:
由于水听器中Bragg波长漂移量很小,通常认为解调装置的输出光强的变化与光纤光栅Bragg波长的漂移呈线性关系。由式(8)可知,输出光强的交流部分和作用在传感器上的声压成正比[14]。
4.2 应用
美国利通公司生产出了基于光纤Bragg光栅水听器的钻孔成像系统,用于勘探海洋或陆地的地下石油和天然气储备。光纤水听器的军事应用受到很多国家的重视。加拿大国防部已经将光纤水听器用于北极监视系统和海峡监视系统。法国汤姆逊公司开展了一系列有关潜艇用光纤水听器阵列的研究和实验。美国海军研究实验室的研究人员认为,“光纤水听器的时代已经到来”。另外,由FBG水听器构成的水下声系统用于研究海洋环境中的声传播、噪声、混响等海底声学特性,也可以通过记录海洋生物发出的声音,研究海洋生物,进行海洋环境监测[15]。
5 用于碳氢化合物探测的光纤Bragg光栅传感器
5.1 原理
丁基合成橡胶的聚合物对碳氢化合物十分敏感,这种聚合物遇到碳氢化合物时会膨胀,没有了碳氢化合物时会恢复原始尺寸[16]。
将光纤光栅和上述聚合物用环氧树脂牢固地粘贴在一起,光栅的形变即反映聚合物的形变。通过检测光栅布拉格波长的漂移量,即可对碳氢化合物含量进行监测。由上文可知,当FBG周围环境的温度压力等物理量发生变化时,Bragg波长也会产生漂移。在对碳氢化合物进行检测的过程中,需要消除其他因素影响。解决方法之一是在检测系统中加入温度补偿环节,如图二所示。将两个相同的光纤光栅分别封装两个性能、尺寸完全相同的丁基橡胶柱内。再将其中一个封装在密闭金属圆筒内(图二右侧),另一个封装在带通气孔的金属圆筒内(图二左侧)。右侧FBG的Bragg波长仅受到周围环境因素的影响,左侧FBG布拉格波长的漂移是环境因素和碳氢化合物共同作用的结果。对两个FBG分别进行波长解调后做差即得到仅由碳氢化合物引起的Bragg波长的漂移量[17]。
5.2 应用
石油化学工业中,传统的电器探测装置工作于易燃易爆的环境,存在着不安全因素。石油碳氢化合物是一种有害物质,储油罐、输油管道若发生泄露将会造成严重后果。光纤光栅传感器本质上是电无源器件,安全性好这一突出特点使其在石油化工领域展现了广阔的应用前景。
6 用于氢气浓度测量的光栅传感器
6.1 原理
Sutapun在FBG包层外侧镀上一层钯膜制作出氢气传感器。如图三所示,钯膜吸收氢气后体积膨胀,由此产生应力拉伸光栅,从而改变了光栅的Bragg波长。使用解调装置检测波长漂移量即可确定上述应力的大小,进而计算出氢气的浓度。
6.2 应用
氢气传感器可以用于制造或者使用氢气的工厂中探测氢气泄露。由于其具有成本低、可复用、结构简单、安全性好等特点,近年来也被用在航空航天领域当中。美国马里兰大学灵巧材料和结构研究中心开发了分布式氢气泄露传感系统包括40个光纤光栅氢气传感器,准备将其安装在航天飞机主推进器的周围。NASA(美国航空及太空总署)的Langley研究中心和Sanders公司合作在航天飞机X-33可重复使用低温液氢贮箱上布设了一个分布式FBG氢气传感系统,用于监测氢气泄露。另外,以氢为动力的船舶用发动机、燃油轮机、采用燃料电池的车辆不仅可以通过传感器探测氢气的泄露以防引起爆炸,还能用其进行废气检测,维持燃料电池里氢氧的最佳混合比例[18,19]。
FBG传感器还用于测量加速度[20];检测桥梁、大坝内部钢筋锈蚀情况[21];矿井、隧道等地下建筑的位移变化[22];液位、流速、凝固点等液体参数[23]。
7 结束语
光纤光栅传感器 第2篇
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
光纤光栅传感器 第3篇
【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】
[1]夏秀兰，童峥嵘，盛秀琴等。光纤光栅传感器的研究。天津大学学报，2002，35（4）：473-76
[2]余有光，谭华耀，廖信义等。免受温度影响的光纤光栅位移传感器。光学学报，2000，20（4）：538-542
光纤光栅传感器 第4篇
1 实验台的准备
由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量, 所以不能使用一般的等强度梁, 而是用一个十字架形结构, 实际上也是一种等强度梁, 不过这种装置有两个等强度梁, 分别作为十字架的X轴向和Y轴向, 用来施加压力, 如图1所示。
这是实验的被测表面的俯视图, 表面是由我们用一块马口铁皮做成的。实验时在X轴、Y轴方向分别悬挂砝码盘。砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮, 铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化, 因此为了保证试验的效果, 光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。
2 光纤光栅的制备
实验台准备好后重要的是制备光纤光栅, 本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅, 串联成直角应变花来测试动态应力的变化, 因而需制备3只不同波长的光纤光栅。由于实验条件的限制, 试验室中只有两块相位掩模板, 在实验室中只能制备两只光纤光栅, 另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。三只光纤光栅的波长位置分别在:1532nm, 1544nm, 1548nm处附近。
根据实验条件, 组建一个光纤光栅制作系统, 制作方法采用目前最有效, 也是最流行的相位掩模法, 其实验系统如图2所示。
本实验用光纤, 是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理 (在室温下, 压强为107Pa的容器中, 载氢两周左右) , 使得普通通信光纤的光敏性大大增加, 达到写制光栅的要求。实验所用的光谱分析仪为国产AV6361, 分辨率选择0.2nm, 宽带光源使用LED。
在实验前, 将相位掩模板靠近光纤放置, 要曝光部位的光纤需先去掉涂敷层。通过载氢提高光纤的光敏性和缩短光纤与掩模板的距离是提高成栅效率的重要手段, 保证光纤轴向与掩模板的栅线方向垂直且与掩模板平行是提高光栅质量的关键。
3 光纤光栅的粘贴
光纤光栅制作好之后, 用光纤熔接机将三只光纤光栅串联在一起, 通过光谱分析仪观察三只光纤光栅的光谱。
在实验中, 先用1号砂纸打磨被测物体的待粘贴光栅部位, 再用3号砂纸打磨, 直至表面光滑无粗糙感。再用脱脂棉沾丙酮反复擦拭表面至表面清洁。粘贴时先用2B铅笔划出X轴、Y轴, 以及450线, 这样可以保证光纤光栅粘贴成直角应变花。用透明胶带将每个光栅的两侧贴牢, 以方便涂胶。然后用一比一组分的环氧胶, 均匀涂覆在光纤光栅的裸纤上, 并使光纤光栅与被测表面紧密地贴在一起。三个不同波长的光纤光栅贴成应变花, X方向即00方向贴1532nm的光纤光栅, 450方向贴1548nm的光栅光纤, Y方向即900方向贴1544nm的光栅光纤。
4 实验仪器
实验装置及材料:光纤光栅解调仪 (型号:FBG-IS,
光栅 (单模载氢掺锗光敏光栅, 中心波长分别为1532nm、1544nm、1548nm系列, 反射率大于95%, 反射带宽约为0.3nm) 、高精度电阻应变片、1Kg的砝码 (共20个) 。实验装置如图3所示。
5 实验过程
光纤光栅粘贴完后, 用宽带光源激励光纤光栅, 另一端用光谱分析仪观测三个光谱。
实验装置连接好后就可以进行光纤光栅应力测量实验。实验先在X轴方向的砝码盘中加砝码, 每次加一个砝码。首先从加第一个砝码开始记录三个方向光纤光栅的中心波长, 然后每加一个砝码, 等待光纤光栅波长分析仪的读数稳定后开始纪录。
以上实验进行完后, 在X轴向加应力的砝码共有十个, 这时取下一个砝码再记录三个光纤光栅的中心波长, 以此类推, 至砝码盘空为止。这组数据作为验证性的, 与加砝码过程中的三光纤光栅中心波长随砝码的增加的趋势作比较, 验证光纤光栅的重复性。然后在Y方向加砝码, 重复上述操作。之后在X、Y方向同时累加砝码, 重复上述操作。记录实验数据。
6 电阻应变片进行应力测量对比
本实验是测光纤光栅中心波长随应力变化的关系, 在实验中通过贴电阻应变片来标定被测物体表面发生的应变, 这就要求电阻应变片地粘贴与光纤光栅地粘贴方位贴近, 电阻应变片也是贴成应变花。
在实验室同时使用上述两种方法进行了应变测量, 获得了多组实验数据。实验中环境温度稳定, 测量装置运行良好, 测量数据可靠、有效。测量过程同对光线光栅波长的测量步骤相同, 也分为X方向、Y方向、XY方向加载方式, 记录实验数据。
7 实验结果分析
按照以下方法处理实验数据:首先做出00、450、900三个不同方向的光纤光栅中心波长变化ΔλB与载荷质量变化Δm的关系, 并进行数据拟合。然后
做出00、450、900三个不同方向的电阻应变片应变变化Δε与载荷质量变化Δm的关系, 并进行数据拟合, 得到拟合方程。最后, 对于光纤光栅ΔλB与电阻应变片Δε随加载质量Δm的变化规律进行了对比。
X方向加载时, 00、450、900光纤光栅中心波长变化ΔλB与载荷质量变化Δm的关系、电阻应变片应变变化Δε与载荷质量变化Δm的关系分别如图4和图5所示。
比较图4及图5可以得到:X方向加载时, 00、450、900三只不同方向的光纤光栅波长变化规律与相应方向的电阻应变片应变变化规律相同, 这说明光纤光栅和电阻应变片在应力测量方面的一致性。
参考文献
[1]周建华.光纤光栅传感器应变传递特性研究[D].武汉:武汉理工大学, 2010.4.
全息平面变间距光栅位移传感器研究 第5篇
基于变间距光栅位移传感器的基本原理,研究了高线密度变化率全息平面变间距光栅的.制作方法.所作的变间距光栅已应用在变间距光栅位移传感器中,原理样机测试结果表明,系统分辨率可以达到0.05 mm,相对误差可以控制在0.2% FS之内,优于设计指标.
作 者：楼俊 付绍军 刘正坤 徐向东 何世平李秉实 吴忠 LOU Jun FU Shao-jun LIU Zheng-kun XU Xiang-dong HE Shi-ping LI Bing-shi WU Zhong 作者单位：楼俊,LOU Jun(中国计量学院,光电子技术研究所,杭州,310018;中国科学技术大学,国家同步辐射实验室,合肥,230029)付绍军,刘正坤,徐向东,何世平,FU Shao-jun,LIU Zheng-kun,XU Xiang-dong,HE Shi-ping(中国科学技术大学,国家同步辐射实验室,合肥,230029)
光纤光栅传感器 第6篇
关键词：
光纤光栅； 温度传感； 热惯量； 封装
中图分类号： O 436.1文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.002
引言
处于热力学平衡状态的所有物质，第零定理[1]认为存在某一共同的宏观物理性质（即：温度）。常见的测量温度的装置有水银温度计、热电偶、红外热像仪等。热惯量是度量物质热惯性大小的物理量[2]，对于热惯量较大的热力学系统，不同温度计测温时，平衡温度与热力学系统的待测温度相差不大，因而常将平衡时温度计显示的温度当作热力学系统的待测温度。而对于热惯量较小的热力学系统，用水银温度计或热电偶等对温度进行直接测量时，传感器与被测系统间进行热交换，所测温度是传感器与被测系统达到热力学平衡后的温度。而采用红外热像仪、光谱测温法、激光干涉测温法[3]等对温度进行间接测量时，虽有较大的测量范围，但测量精度有限。光纤光栅已被用来对温度进行测量[45]，其热惯量小、灵敏度高、响应时间短、动态范围宽，已引起人们的广泛关注[6]，但很少有人关注其对被测热力学系统温度影响程度。
本文利用不同类型温度传感器对小热惯量温度场进行直接测量，分析和实验均表明，所测结果不同，其中管式封装的光纤光栅（fiber Bragg grating，FBG）温度传感器，测量精度高，响应速度快。论文内容有益于准确获取小热惯量热力学系统的温度值，还有益于FBG温度传感器性能的提高。
2光纤光栅温度传感实验
2.1用不同的温度传感器测温
所用裸光栅的长度为1 cm，它是利用紫外侧写技术，写入Corning SMF28光纤的，其直径为0.125 mm；水银温度计的长度为1.5 cm，外径为3.6 mm；K型热电偶的感温部分长2 cm，外径0.8 mm。一试管中盛有初始温度相同的2 ml纯净水，用上述温度传感器分别测试其水温，FBG传感器通过可调FabryPerot滤波器光纤光栅解调系统[8]读取结果，系统扫描频率1 000 Hz，室温下波长稳定性在5 pm以内；热电偶测量结果通过万用表读取，分辨率0.1 ℃；温度计最小刻度值为0.1 ℃，人工肉眼读取。观察不同温度传感装置所测结果的差异。
环境温度为26 ℃。为防止空气对流和传感器放置位置不同而对实验结果造成影响，将试管口用软木塞堵住，软木塞中央开有与传感头外径大小相匹配的孔，传感头穿过孔置入待测水中。
将三只试管通过水浴法将纯净水加热至沸腾（实验室环境下纯净水沸腾温度为99.5 ℃），放入传感器的同时撤去热源，记录传感器显示的温度随时间的变化关系，见图1所示。
裸光栅温度传感器体积小，石英材质的导热系数和密度都小，传感器与被测热力学系统间热交换至热力学平衡后的温度最接近被测物的真实温度。在相同实验环境下减少纯净水体积至1 ml，三种温度传感器的测量值为98.5 ℃、93.8 ℃、92 ℃，测量相对误差为0.90%、5.72%、7.54%。被测物热容量减少时，传感器测量误差增大。
响应时间取传感器测量值达到峰值90%时的时间。从图1所示的响应曲线中获得三种温度传感器的响应时间。不同传感器的响应时间用不同颜色的竖直虚线标示。光纤光栅传感器、热电偶、水银温度计的响应时间分别为2.2 s、8.5 s、10 s。响应时间受传感器进入被测物时间与计时时间不同步的影响。
2.2金属管封装光纤光栅传感器与裸光栅传感器对比实验
考虑裸光栅温度传感器的传感结果易受外界因素的影响，精确测量时需要对其适当封装。金属管封装是常见的封装形式，有必要用实验考察封装对传感结果的影响。对于小热惯量温度场，选用裸光栅和同轴封装的光纤光栅温度传感器[910]，后者所用金属管外径0.45 mm，封装中注意对温度进行增敏而对应变的作用不敏感。实验环境与第一组实验保持一致，记录传感器测得的温度变化曲线如图2所示。
金属管封装的光纤光栅温度传感器测得最高温度为98.6 ℃，传感器响应时间为2.5 s；裸光纤光栅温度传感器测得最高温度为98.9 ℃，传感器响应时间为2.2 s。
可见，裸光栅传感器测量精确高，系统达到热平衡时间短。下面来考察同质材料封装时，封装尺寸对传感结果的影响。
用直径分别为0.45 mm、0.90 mm和2.00 mm不锈钢管对裸光栅进行封装后，分别用来测定小热惯量温度场的温度随时间变化关系。各自的温度随时间变化关系曲线如图3所示。
封装直径0.45 mm的温度传感器测得最高温度为98.6 ℃，传感器响应时间为2.5 s；封装直径0.90 mm的温度传感器测得最高温度为98.1 ℃，传感器响应时间为2.9 s；封装直径2.00 mm的温度传感器测得最高温度为97.2 ℃，传感器响应时间为4.2 s。
对于同质封装材料，但管壁厚薄不同的传感器，用来对小热惯量场进行温度测量，发现管壁越薄的传感器，其响应时间短，所测温度更准确。
综上所述，传感头的热惯量越小，用来测小热惯量热力学系统时的测量精度更高，响应时间更短。
3结论
实验表明，监测小热惯量温度场温度实时变化情况，相比于水银温度计、热电偶等，裸光栅温度传感器的测量精度高，响应速度快。封装虽可有效保护传感光栅，但以牺牲传感精度和增加响应时间为代价。
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光纤光栅传感技术应用研究 第7篇
一、光纤光栅传感的优势
作为光纤传感器的一种, 近年来发展十分迅速, 它之所以有这样迅猛的发展, 是因为它与传统的电传感器等相比有其独特的优点。
1、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, 适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作。抗干扰能力强, 这一方面是因为普通光纤不会影响光波的频率特性 (忽略光纤的非线性效应) ;另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。
2、光纤轻巧柔软, 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技术相结合, 实现多点、分布式传感。便于构成各种形式的光纤传感网络, 尤其是采用波分复用技术构成分立式或分布式光纤光栅传感器阵列, 进行大面积的、同时的多点测量。这对于大型土木结构的健康检测等方面有着重要的应用。因此, 人们十分重视该领域的研究, 并且它已成为传感领域的重要组成部分。
3、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。
4、传感探头结构简单、体积小、重量轻、外形柔软可变, 适于各种场合, 尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部, 对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测。稳定性高, 重复性好。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、光纤连接器耦合损耗、弯曲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。
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、高分辨率。该类传感器的信息载体是光, 无论以波长还是相位为检测对象都具有非常高的传感精度。即便检测其振幅或强度, 若有效的运用具有高分辨率的光电仪器, 也可对某物理量的检测具有非常高的精度。
正是由于具有这么多的优点, 近年来光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测, 以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
二、光纤光栅传感技术的应用
1、在电力系统的应用。
光纤光栅传感器在电力上的应用, 主要是通过对温度的测量实现对电力设备的实时安全检测。光纤光栅传感器检测的电力设备包括高压开关柜隔离触头断路器、线夹、隔离刀闸、互感器、变压器、电抗器、阻波器等。对这些电力设备进行温度的在线监测, 诊断过热的原因, 再经过处理分析故障, 从而实现真正意义的在线安全监测。
光纤光栅传感器具有良好的抗电磁干扰性, 是电力工业中有关参数监测的理想传感元件。在电力工业中, 电流转换器可把电流变化转化为电压变化, 电压变化使陶瓷 (PZT) 产生变形, 贴于PZT上的光纤光栅产生波长漂移, 从而得知电流强度。光纤光栅传感器在长距离电力输电线载荷以及电力变压器绕组的分布式实时监测方面具有独特的优势。光纤光栅传感器可测电线的载重量, 其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化, 这一应力变化被黏于金属板上的光纤光栅探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例。
2、在航天器及船舶中的应用。
光纤光栅传感器非常适合在航天器中应用。光纤光栅传感器在航天器中监测飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度等情况。因为传感器的重量要尽量轻, 尺寸要尽量小, 因此, 灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度等情况, 通常需要100多个传感器, 故传感器的重量要尽量轻, 尺寸要尽量小, 因此, 灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择;光纤光栅传感器非常适合用来监测轮船船体结构, 提供可影响材料性能的机械变化信息, 监测复合材料的硫化, 在轮船的试用期担当监测任务, 测量船体的弯曲应力, 测量海浪对甲板的抨击力。
3、在土木工程领域中的应用。
光栅传感器具有很好的检测精度、线性响应和重复性, 可以为工程结构监测提供数据, 在一定程度上为实现长期监测提供了保障。大型土木工程结构和基础设施 (如桥梁、超高层建筑、大型水坝等建筑) 在其长期的服役过程中, 结构不可避免地产生损伤积累, 抗力减小, 如不能了解结构的健康情况, 一旦事故发生就会带来巨大的损失。光纤光栅传感器的独特优点使得它们很容易粘贴于结构表面或者嵌入结构内部, 实现对结构状态的实时分布式监测。光栅光纤传感器在工程施工期间, 可以进行实时监测, 在工程建成之后, 可以监测结构的健康状况以及载荷分布情况。
4、在石油工业中的应用。
光纤光栅传感器非常适合在石油领域里应用。油井井温在石油勘探、开采和生产中是一个极其重要的参数, 它对确定油层位置、厚度、含水地层的深度等具有决定性的意义, 分布式光纤光栅测温系统为井温测量提供了一种全新的手段, 系统使用柔软、芯径细小、本身绝缘并与光纤光栅天然相容的光纤作为感知并传送信号的媒体, 可以在恶劣的环境下对形状复杂的温度场进行实时快速地检测和定位。
5、在医学领域中的应用。
光纤光栅传感器是目前为止最小的传感器, 能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。此点在医学领域中非常重要, 因为小的尺寸对人体组织的伤害较小。光纤光栅传感系统已经能成功地检测病变组织的温度和超声波场, 为研究病变组织提供信息。巴西的Wehrle等人用弹性胶带将光纤光栅应变传感器固定在病人的胸部, 通过胸腔的变化, 测量呼吸过程的频谱。
三、光纤光栅技术未来发展前景
由于光纤光栅传感器具有传感信号对波长绝对编码、抗电磁干扰等优点, 因此具有广泛的应用前景。目前, 对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面:一是对高灵敏度、高分辨力传感器的研究;二是对光纤光栅反射信号和透射信号分析和测试系统的研究, 目标是开发低成本、小型化、可靠及灵敏的探测技术;三是光纤光栅传感器实用技术的研究, 包括封装技术、温度补偿技术和传感网络技术。工业施工现场环境比较恶劣, 光纤纤细易断, 采用先进的封装工艺使得光纤光栅传感器在恶劣的环境中正常工作尤为重要。另外, 应变、温度交叉敏感的问题解决的好坏直接影响到光纤光栅传感器的实用化, 而且, 多参量同时传感是发展方向。光纤光栅传感器相对于其他传统传感器的一个重要优势在于可以很方便地构成网络, 实现分布式传感, 因此, 发展网络技术势在必行。
虽然光纤光栅传感器具有很多优点, 但是, 目前一些实用技术还不成熟, 影响了光纤光栅传感器从实验室走向实际应用。另外, 偏高的市场价格也影响了其在国内的应用, 这有待从原理、原材料和制作工艺等方面入手, 降低生产成本, 研制出适合中国传感器市场的优质低价光纤光栅传感器。
为了进一步发展光纤光栅传感器, 还要做许多研究工作。一是继续深入研究光纤光栅的基本性能, 包括传感机理、工艺技术增敏去敏方法、多参量同时测量途径等;二是加强光纤光栅波长检测技术的研究, 促进光纤光栅传感及其网络技术的发展;三是完善现有的光栅写入方法及其封装技术, 研究新的写入方法, 尤其是非均匀光栅的写入方法, 降低成本, 提高寿命。
随着科学技术的不断发展, 光纤光栅传感技术的新成果不断涌现, 相信在不久的将来光纤光栅传感器势必在很多领域取代传统的传感器。其在桥梁、土木结构、大型装备、电力、高压电气设备等领域的市场占有率将会快速增长, 相对应的新技术成果的生产力转化将会更多、更快。
摘要：光纤光栅传感技术是近年来发展起来的一门新技术。本文在分析光纤光栅传感技术优势的基础上, 综述光纤光栅传感技术的应用, 讨论光纤光栅传感器在应用研究过程中需要解决的关键问题, 并对其应用前景做了展望。
关键词：光纤光栅,传感技术,应用研究
参考文献
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光纤光栅传感系统的信号解调 第8篇
1 光纤光栅传感信号解调方法
1978年加拿大的Ken Hill首次发现掺锗石英光纤紫外光敏特性,即布拉格(Bragg)光栅效应并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅[1]。此后Melt又于1989年发明了光纤光栅紫外写入技术,并观察到强紫外干涉从侧面照在掺锗光纤上能引起相应位置纤芯的折射率发生变化[2]。光纤光栅[3]是指折射率沿光纤轴向呈周期或准周期性变化的一类光纤器件。通过适当设计光栅的折射率调制结构,可以制作出各种具有独特滤波和色散特性的光纤光栅器件,可广泛应用于光纤传输系统中的光学信号处理、光纤激光器技术和光纤传感等领域。
图1为光纤光栅传感器解调系统的框图,其中图1a为反射式检测法,图1b为透射式检测法[4]。解调系统由光源(如宽带谱、谐调谱、脉冲、激光等)、连接器(如耦合器、环行器等)、传感光栅(光纤Bragg光栅、长周期光纤光栅等)和光电探测器等部分组成。
在传感过程中,光源发出的光波由传输通道经连接器(或直接)进入传感光栅,传感光栅在外场(如应变场、温度场等)的作用(静态、准静态或时态)下,对光波进行调制;接着,带有外场信息的调制光波被传感光栅反射(或透射),由连接器(或直接)进入接收通道而被探测器接收解调并输出[5,6]。由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息,因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化,即可获得外场信息的细致描述。相比而言,基于反射式的传感解调系统比较容易实现。
在光纤光栅传感系统中,信号解调一部分为光信号处理,完成光信号波长信息到电参量的转换[7];另一部分为电信号处理,完成对电参量的运算处理,提取外界信息,并以人们熟悉的方式显示出来[8]。其中,光信号处理,即传感器的中心反射波长的跟踪分析是解调的关键。
光纤光栅传感器中心反射波长最直接的检测仪器是光谱仪[9],其工作原理参见图2。在光谱仪中,通过调节衍射光栅的角度,使衍射光栅分离出不同的波长,分离出来的特定光波由反射镜聚焦到光阑孔/探测器;旋转衍射光栅可对波长范围进行扫描,分辨率可达0.001 nm。这种方法的优点是结构简单、使用方便。缺点是精度底、价格高、体积大。
若需要更精确的波长测量,可选用多波长计[10],其工作原理参见图3。在多波长计中,利用光波的干涉效应将同相位的光信号加强的原理来对不同的光波进行区分。从光纤来的光信号在通过分束镜后,一部分由于反射到固定反射镜,然后返回;另一部分透射到固定可移动的反射镜,然后返回,这两束同源但不同路径的光束,在重新汇合时,某些特定波长的光信号将由于同相位而产生干涉、光强增加,被探测器捕获。对可移动反射镜进行微调,可改变两束光的光程差,以此来选择对不同光波的扫描。多波长计对波长的测试非常精确,分辨率可达到0.000 4 nm,能看到系统的噪声平台,但在功率测量方面不如光谱分析仪。
光谱仪和多波长计不能直接输出对应于波长变化的电信号。因此,不能满足实用化自动控制的需要[11,12]。为此,人们研究并提出了多种解调方法,以实现信号的快速、精确提取。总体上可以归纳为三大类,即滤波法、干涉法和可调光源扫描法。其中,每类解调方法还可以细分多种不同实现方式。现介绍其中几种常用的解调方法。
1.1 可调谐F-P滤波器解调法
可调谐滤波器解调法基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪[13]。可调谐Fabry-Perot滤波器的滤波特性是基于人们所熟悉的多光束干涉现象,如图4所示。
其透射特性可表示为
式(1)及式(2)中,Ai,Ii、分别为入射光场的振幅和光强;Aτ、Iτ分别为出射光场的振幅及光强;δ为相邻两束光的相位差
式中,R、T分别为镜面的反射率和透射率(在理想状况下,R+T=1);n为腔中介质折射率;L为腔长。当光波长λ使得d满足δ=2πm,m为正整数时,有极大透过峰。这就形成了Fabry-Perot腔的具有波长选择性的透过特性,从而达到滤波的效果。
F-P腔发生谐振的条件为
式(4)中,n为介质的折射率;L为腔长;θ为入射角;λ为中心(谐振)波长;N为干涉级数。
由式(4)可以看出,通过改变中间介质层的折射率n,改变入射角θ或改变F-P腔的腔长L,都可以改变滤波器的中心波长,达到调谐的目的。
1.1.1 角度调制
将式(4)两边对θ微分可得
式(5)中,△λ为由入射角变化△θ引起的中心波长的偏移量。这种调制法实现起来比较简单,但存在着严重的缺点和不足,实际应用不多。
1.1.2 腔长调制
将式(4)两边对L微分可得
式(6)中,△λ为由腔长变化△L引起的中心波长的偏移量。其主要问题是,当改变L时两平板必须严格保持平行,这样滤波器的精细度才不会下降,这对传动装置的精密性提出了很高的要求。当F-P腔内填充的不是双折射材料时,与偏振无关,这是腔长调制的特点。
用压电陶瓷调节腔长L,其调谐范围宽、响应线性好,缺点是对温度、振动比较敏感,稳定性不高。
1.1.3 折射率调制
当θ=0,L固定时,若n变化△n,则λ也跟着变化△λ,由式(4)可得两者的关系为
当在电光晶体(如Li Nb O3)或液晶材料两端加电压时,其折射率将发生变化,这样滤波器的中心波长也随之变化。
目前世界上所研究的可调谐Fabry-Perot滤波器可分为如下几类:微型电动机械系统(MEMS)F-P腔滤波器;波导F-P腔滤波器;光纤光栅F-P腔滤波器;液晶F-P腔滤波器;固体腔F-P腔滤波器;光纤F-P腔滤波器(FFPF)。此外还有独立多腔光纤F-P腔可调谐光滤波器,角度可调谐F-P腔光滤波器等。
在一定波长范围内,若以平行光入射到F-P腔干涉仪,则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉,产生相干极大。通过检测相干光强的最大值而获取满足条件的波长。当F-P腔长变化时,满足条件的相干光波长会变化。因此,可以将F-P腔滤波器固定于压电陶瓷时,调整压电陶瓷的驱动电压,若F-P腔的透射波长与光纤光栅的反射波长重合,则探测器能探测到最佳光强,此时给压电陶瓷施加的电压就对应着光纤光栅的反射波长,进而得到被测物理量。
将一个光纤光栅置于恒温环境中,保持其波长稳定,作为波长参考,称之为参考光栅。宽带光源发出的光经光隔离器进入传感光纤光栅阵列,其中满足Bragg条件的光被反射后经3 d B耦合器进入可调光纤F-P腔滤波器,在可调谐滤波器上锯齿波扫描电压调节其腔间隔,当可调谐滤波器的光谱与传感光纤光栅波长相匹配时,滤波器的透射光强最大,此时通过光电探测器探测到的光信号经放大后由数据采集卡输入计算机处理,可转换为传感光纤光栅的波长。如图5所示。
该解调方案具有体积小、价格低的优点,能够在测量系统成本较低的前提下提高光纤光栅波长的测量精度,且可以直接输出对应于波长变化的电信号,是一种较好的解调方案,利用该方法也可同时对多个光纤光栅的波长进行解调。
1.2 基于边缘滤波器的波长解调
边缘滤波器就是一个光强度随波长变化单调上升或单调下降的滤波器,当光信号通过该滤波器时,光的波长变化会被直接映射为强度变化,因此,通过检测光强就能够直接得到波长变化的信息。其基本结构如图6所示。
当边缘滤波器的强度-波长曲线的斜率为k时,波长漂移量λ-λ0时,波长漂移引起的强度变化为
因此,波长检测的精度主要取决于边缘滤波器的强度-波长曲线的斜率k,另一方面,精度也受到强度检测的精度,包括A/D转换的精度和系统的信噪比等因素的影响。为了提高波长解调的精度和灵敏度,斜率k越大越好,有人专门设计了三角形的啁啾光纤光栅来进行波长解调,但是,其缺点是带宽范围小,只能对一个光纤光栅进行波长解调,这就失去了光纤光栅传感器的最重要的波分复用特性。长周期光纤光栅也可以作为边缘滤波器,它的带宽可以覆盖几十纳米,但是,由于它的带宽很大,因此,强度-波长曲线的斜率k很小,波长解调的精度和灵敏度都很低。
基于边缘滤波器的波长解调的优点是能够直接将波长漂移转换为强度变化,不需要进行波长扫描,在各种解调方法中,它的速度是最快的。但是,它的主要问题在于波长解调的精度和检测范围的矛盾。
1.3 非平衡M-Z干涉仪法
为了克服波长解调的精度和检测范围的矛盾,使用波分复用器(WDM)和波动阵列光栅(AWG)取代单波长的边缘滤波器,但是,目前它的主要困难在于这种滤波器并不是线性的,这就造成了不同波长处的灵敏度不同;或者,需要使用温度或机械调谐的方法用滤波器进行波长扫描,这就降低了检测的速度。
干涉法是利用干涉仪将反射光的波长量转化为易于探测的光信号参量(如强度、相位)来进行检测。最有代表性的就是非平衡M-Z干涉法。此种方法是利用非平衡M-Z干涉仪将传感光栅的波长变化转化为相位变化△f,对干涉仪输出的相位信号进行检测,△λ和△f之间的关系可以表示为
式(9)中,n为光纤光栅折射率;d为干涉仪臂长差;λ为反射波长。由探测器探测到△f便可得到FBG波长的变化量。其结构如图7所示。
A.D.Kersey等人于1992年提出非平衡Mach-Zehnder(M-Z)干涉解调法,宽带光源通过耦合器入射到FBG上,其反射光经过耦合器进入不等臂长的M-Z干涉仪,当传感光纤光栅受到外界作用时,其中心波长的变化导致非平衡M-Z干涉仪的相位发生变化,解调出相位变化量即可得到波长偏移量,实现了在500 Hz下达到0.6 nε的分辨率。
非平衡M-Z干涉解调法具有响应速度快、分辨率高的特点,但局限于动态应变测量,且测量范围非常有限(因干涉仪相位只能变化2π),不适合于绝对应变的测量,极易受应变、温度等外界因素的干扰。
2 基于CCD的波长解调
将光纤光栅反射回来的光通过准直器入射到衍射光栅等色散器件中,利用衍射光栅的角色散将不同波长的光在空间中展开,再经过透镜准直后就可以在傅里叶平面上得到光谱的线性分布,利用线阵CCD(charge-coupled device)就可以检测光栅的波长变化。其原理如图8所示。
其中,最为主要的元件是衍射光栅。衍射光栅的色散原理为:平行光束入射到平面光栅上,每条划痕起衍射作用,衍射角的正弦与波长成正比,而与每条划痕的同一波长的衍射光栅的方向一致。这样不同波长的光就被衍射至不同方向,达到了分光的目的。光栅的种类繁多,但不论是何种光栅,其必须满足光栅方程
式中,划痕间距d被称为光栅常数;而1/d为光栅的划痕密度;i为入射角。
衍射光栅的基本特征可以用“分辨本领”和“色散率”来表征。
(1)分辨本领(又称分辨率)R,定义为两条刚可被分开的谱线的波长差△λ除它们的平均波长,即
按照瑞利条件,两条刚可被分开的谱线规定为:其中一条谱线的极强正好落在另一条谱线的极弱处,由此条件可以推得(从略)光栅的分辨本领
式中,k为光谱的级数,N为光栅的总刻痕数,因为级数k不会变,所以光栅的分辨本领主要决定于狭缝数目N。
(2)角色散率(简称色散率)D,光栅的色散率D定义为同一级两条谱线衍射角之差△θ与它们的波长差△λ之比,即
将式(13)两端微分得到dcosθ=kdλ,代入D的定义式得
由式(14)不难得出光栅光谱的以下几个特点:
光栅常数d愈小,则光栅的色散率D愈大;
高级次光谱比低级次光谱有较大的色散;
(3)当衍射角很小时,色散率D可看作一个常数,此时衍射角θ与λ成正比。
光栅是微型光谱仪的色散元件,决定了系统的理论分辨率,直接影响到系统的光谱分辨率。光栅的选择要根据光谱仪的工作波段确定,并且在设计要求的光谱分辨率下选择合适的光栅常数。一般来说,对于600线光栅,在不同的闪耀角下,其工作光谱范围为650 nm左右;而1 200线光栅的光谱范围为200~300 nm。以此类推,1 800线光栅的光谱范围更短。由此并结合光栅方程分析,在一定的系统相对孔径和成像谱面长度下,光纤光栅光谱仪的工作波段宽度与光栅常数和起始工作波长有关。刻化密度越大,起始波长越大或光谱级次越高,光谱仪的工作波长范围越窄。光栅的选择至关重要,所以在光学平台设计中,要根据实际情况选取合适的光栅才能达到理想的结果。
经色散后的光线需经成像镜聚焦至线阵探测器探测面。成像镜焦距的选择关系到光学系统与光电探测器的匹配。设计时应控制成像镜焦距,使成像光谱长度和探测器像元长度匹配。基于以上考虑,初始设计时,成像镜焦距f2应根据光谱仪工作波长范围、探测器像元长度和光栅线色散率来确定。
式中,为光栅的线色散率,LCCD为CCD探测器像元长度。其中光栅的线色散率为
式中,δ1是成像镜物距与焦平面法线方向的夹角。在设计时选定光栅的情况下,可以利用式(16)确定成像焦距。
电荷耦合器件(charge coupled devices,CCD)的突出特点是以电荷作为信号,这不同于以电流或者电压为信号的其他大多数器件。CCD的基本功能是存储电荷和转移电荷。因此,CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
在本系统中,采用可编程逻辑器件进行CCD驱动电路的设计,这种设计方法就是使用与器件对应的基于Windows的开发软件,这类软件一般都支持电路图、VHDL或Verilog HDL输入方式及仿真。首先按CCD时序发生器的原理将其分成高低几个逻辑关系层,利用模块化的设计方法,对各部分逻辑关系,混合使用原理图与硬件描述语言(ABEL-HDL)进行描述;并进行逐级仿真,以确保时序的正确性,最后将编译生成的JEDEC文件下载到可编程芯片上。Altera,AMD,Lattice和Atmel公司均有PLD产品,虽然不同公司的产品在结构上差异较大,但都能实现可重复编程开发的功能。
该方法的优点是静态检测,没有机械扫描机构,因此性能稳定;响应速度也较快。该方法的主要缺点是波长的分辨率受到衍射光栅分辨率的限制,不能用于高精度的波长解调。
3 结论
光纤光栅传感器 第9篇
1 FBG的流量传感原理
由耦合模理论可知,FBG的反射中心波长λB为
undefined
式中,neff为FBG的有效折射率;Λ为FBG的周期(栅距)。当FBG受到外力作用或环境温度有变化时,FBG的有效折射率和周期会发生改变,从而引起FBG反射波波长的改变。FBG反射波波长与外界应变和温度的关系为
undefined
式中,ΔλB为反射中心波长的改变量;Δε为光纤光栅的轴向应变变化量;ΔT为温度变化量;Pe为有效弹光系数;ξ、α分别为光纤光栅的热光系数和热膨胀系数。Pe、ξ和α都是常量。
FBG反射波波长的改变与外界温度或应变的变化呈线性关系。FBG流量测量的原理就是将液体或气体流动形成的力直接或间接地作用到FBG上,使得FBG发生形变,从而使FBG的反射波波长发生改变,通过检测FBG反射波波长改变的大小即可计算外界流速的大小,进而测得流量的大小。由于FBG同时对温度和应变敏感,因此,在测试流量时,要通过温度补偿措施消除温度对FBG波长的影响,从而准确地测量流量。
2 FBG流量传感器
2.1 基于汾丘里管结构的FBG流量传感器[2]
基于汾丘里管的FBG流量传感测试系统如图1所示。管道中大圆管的内径为d1,小圆管的内径为d2,流体分别流过截面1和截面2,且截面1和截面2上的流速、压强、高度分别为(v1,P1,Z1)和(v2,P2,Z2)。汾丘里管平放时,Z1=Z2。由流体连续性方程和伯努利方程得到截面1和截面2的压强差为
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式中,ρ为液体的密度;v=v1为液体流速。从式(3)可以看出,截面1和截面2的压强差与流速成二次关系,流速测量可转换为压强测量,又流体流量Q和流速满足以下关系
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通过设计光纤光栅传感器结构测量两个截面的压强差,可得到光纤光栅传感器的波长与压强差的关系,从而得到每个时刻液体流速的大小,进而求得流量。
此种结构的流量传感系统结构简单,灵敏度较高,且可实现光纤光栅流量传感器多点准分布式测量。但由于要测量两个截面的压强差,必须合理地设计管道尺寸,才能使光纤光栅传感器探头的波长发生改变。
2.2 基于涡街结构的FBG流量传感器
基于涡街结构的FBG流量传感检测系统[3]如图2所示。被测流体经过涡街发生体,当流速超过一定阈值时,涡街发生体的下游会产生两列旋转方向相反的并排漩涡,漩涡的产生频率与流速成正比,
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式中,v是液体的平均流速;f是漩涡的产生频率;d是漩涡发生体迎流面特征宽度;Si是斯特劳哈尔数。
FBG流量传感探头置于漩涡发生体后,并与管道形成一个悬臂梁结构来测量涡街发生频率。漩涡在行进过程中会在漩涡发生体的下游产生一个垂直于管道轴线的升力,由于漩涡在漩涡发生体两侧交替产生,且两侧的旋转方向相反,因此作用于漩涡发生体上的升力是交替变化的,从而使悬臂梁产生振动,即悬臂梁产生垂直于轴线方向的受迫振动。交替作用在漩涡发生体上的升力的变化频率等于漩涡频率,可以通过检测悬臂梁的振动频率来探测漩涡频率,进而由式(5)得到流体的流速,从而测得流量大小。
基于涡街结构的FBG流量传感器只要能够准确地检测出悬臂梁的振动频率,就能准确地测量流量。该流量传感器结构简单,而且也能实现光纤光栅的多点准分布式测量。但由于该传感器的悬臂梁的振动频率受漩涡发生体的限制,它的信号检测较为困难,它要求信号必须有较高的信噪比,且随着流速的增大,流量传感器的振动频率与悬臂梁的振动频率会相同,此时不会输出信号;另外,当流速较小时,振动信号太弱,会被噪声淹没,因而无法准确地检测振动信号。
为了比较准确地检测振动信号,日本的Shoichi Takashima等人利用双光栅和互相关技术[4],设计了涡街结构的双FBG传感器的流量传感器。在涡街发生体的后面,距离涡街发生体不同距离处放置两个FBG流量传感器,当流体流过涡街发生体时,会在涡街发生体后面的管道中产生漩涡,漩涡会使两个FBG传感器产生振动,利用漩涡经过两个FBG传感器的时间不同,采用两个M-Z干涉仪检测两个FBG流量传感器中每一个漩涡经过的时间,而两个FBG流量传感器的距离可以准确测量,于是可以得到流速。此种方案能比较准确地测量流量,且该流量传感器在流速0～1.0 m/s范围内有很好的线性,可测量的最小流速为0.05 m/s。然而,由于对时延信号的检测需要一个M-Z干涉仪及6个光电探测器等,因此信号检测比较复杂。
2.3 基于靶式结构的FBG流量传感器[5]
基于靶式结构的FBG流量传感器测量装置原理图如图3所示。当满管的水流流过管道时,流体作用在圆形靶上,使靶产生形变,靶的作用力作用到与之相连的悬臂梁上,悬臂梁是等强度量,沿梁的上下表面中轴线对称位置粘贴光纤光栅,梁的形变导致粘贴在其上的光纤光栅发生形变,从而引起光纤光栅反射波中心波长的移动。设光纤光栅发生的形变与悬臂梁上的形变相同,流体在管道内的平均流速用V来表示,在管内任意一个地方的流速为u(r),则
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式中, R为管道半径;r为管道半径内的任意长度。
假设流体是理想的不可压缩的稳定的流动,流体密度为ρ,则流体在靶上产生的压力增大,作用在靶上的总的力为
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式中,d为圆形靶的直径。由等强度悬臂梁轴向应变ε与自由端应力F的关系得到
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式中,L、h分别为悬臂梁的长度和厚度;E为悬臂梁材料的杨氏模量;b0为悬臂梁固定端的长度。设悬臂梁和光纤光栅的形变相同,再根据式(2)就可以算出FBG的波长漂移量与流速的关系,只要准确地测出光纤光栅的波长改变量,就可以准确地测出流速,进而得到流量。
此种结构的FBG流量传感器可以对0～1 000 cm3/s的流速进行测量,而且克服了FBG温度、应变的交叉敏感问题,能够实现温度和流量的同时区分测量。由于检测的是FBG的波长漂移,避免了光强度变化带来的影响;通过改变悬臂梁的材料或尺寸以及靶的半径,可以改变传感器的灵敏度和测量范围;同时,还可以充分利用FBG的波分复用、易于构建传感网络等优点。该测量方法可以和比较成熟的光纤光栅温度、压力、应变传感器等构成的传感系统组合在一起,构成多点、多参量的网络系统,实现光纤光栅传感系统的网络化。
3 结束语
FBG流量传感器就是将FBG传感原理与传统的流量测量机理相结合,通过检测FBG波长、频率等,并进行信号处理,从而实现液体流量的检测。FBG流量传感器具有安全、耐腐蚀和体积小等优点,因此适用于各种管道的流量检测。同时FBG由于利用的是对波长的编码,易于构成准分布式测量。但基于各种结构的光纤光栅流量传感器都有各自的优势和不足,还需要更深入地研究,以进一步发挥自身的优势。如何利用光纤光栅的自身优势,实现光纤光栅温度、压力、流量等多参量的同时检测,如何利用光纤光栅传感复用技术,将多个光纤光栅流量传感器组成传感网络,实现远程监测、控制等,将是今后的重点研究方向。
随着光纤光栅传感技术的成熟以及对光纤光栅流量传感技术研究的不断深入,光纤光栅流量传感器必将在石油开采、长输管线、石油储运和水利等各个领域发挥巨大的作用,更好地为国家的现代化建设服务。
参考文献
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双光纤光栅高频加速度传感器的研究 第10篇
光纤Bragg光栅(FBG)加速度传感器是一种波长调制型光纤加速度传感器,具有光路简单、检测方法灵活、对光源强度波动不敏感和抗外界干扰等优点。随着应用领域的不断扩大,早期的光强调制型和相位调制型光纤加速度传感器已逐渐被FBG加速度传感器所取代。
近年来,光纤布拉格光栅加速度传感器在低频测量中的应用研究已取得了重要进展。主梁与调节梁复合结构设计的悬臂梁传感器使FBG加速度传感器技术在低频测量领域的应用成为可能,其固有频率达270Hz[1]。结构进一步优化设计的悬臂梁FBG加速度传感器的幅频带宽已降至45 Hz左右[2],悬臂梁与振动放大复合结构设计同时满足了FBG加速度传感器在土木测量中对高灵敏度和低频测试的要求[3]。另外,在三维FBG加速度传感器的设计及其传感头温度效应[4]以及FBG加速度传感器在地震波检测和油田测试等方面的可行性亦有研究报道[5],王善鲤等[6]采用三角支架的方式研究了悬臂梁光纤光栅振动传感器,该传感器亦适用于低频测量;而冯艳[7]等研究了埋入式光纤光栅径向应变传感特性参数,认为应力传感特性参数和位置函数是影响光栅中心波长的主要参数,由于光纤光栅传感器的灵敏度主要取决于光栅的径向受力,这对研究光纤光栅传感器具有指导作用。目前高频测量用光纤光栅加速度传感器尚处于研究开发阶段,大量研究发现,悬臂梁结构决定了现有的FBG加速度传感器难以实现高频测量。推挽式[8]光纤光栅加速度传感器采用弹性体为传感媒介研究了双光栅传感器,但其频带较窄,为0100 Hz;李国利等发现双光纤光栅的加速度传感器的灵敏度是单光栅传感器的2倍[9],但其测试频率范围和谐振频率范围尚无研究报道。为此,我们在现有光纤光栅加速度传感器的研究基础上,研究了一种新型双光纤光栅加速度传感结构,实测结果表明,这种新型FBG加速度传感器的可测频率为5~2 000 Hz,谐振频率达3 000 Hz,可实现高频测量,且具有温度自补偿功能和使用简单方便等特点。
1 传感头工作原理与理论分析
1.1 双光纤光栅传感头的工作原理
双光纤光栅传感头结构如图1所示。光栅1和光栅2均为传感光栅,并且两个光栅是通过焊接的方法连接在一起。光栅用环氧树脂胶粘贴在钢管内壁,钢管的两端固定于圆筒的两端,质量块位于两个光栅之间。当质量块受到竖直方向振动时,光栅1和光栅2在拉伸和压缩过程中进行交替变换,即当质量块向下运动时,光栅1拉伸,光栅2处于压缩状态;质量块向上运动时,光栅1处于压缩状态,光栅2被拉伸。与单一光纤光栅加速度传感器相比,该传感器灵敏度提高了2倍。
1.2 双光纤光栅传感的基本特性理论分析
设两端被固定的钢管总长度为l,质量块在竖直方向产生的位移为y,质量块两端的钢管长度分别为l1、l2,且l1(28)l 2,此时,分布在质量块两端的钢管一端受拉、一端受压,则这两段钢管受压或受拉后的长度设为l11、l22,当质量块向下运动时,有
所以,两段钢管产生的应变分别为
两应变的差为
由上式可知,如果能够确定竖直方向的位移y,即可确定两段钢管的应变差。当质量块一旦产生位移,竖直方向便会产生相应的加速度,因此根据竖直方向的惯性力可分析位移与加速度之间的关系。
设钢管的弹性模量为E,内外直径分别为d1、d2,钢管壁的横截面积为A,此时两段钢管的力变化大小为
而力与加速度的关系为
因此,从质量块的位移变化,可以确定质量块所获得的加速度。
依据光纤Bragg光栅的传感原理有:
式中:B为光纤Bragg光栅反射波长,(35)B为光纤Bragg光栅波长的改变量,为光纤Bragg光栅的轴向应变。则有:
式中:传感器灵敏度系数S的内涵是单位加速度下光纤Bragg光栅波长的变化,它与质量块m的大小成正比,质量越大,传感器的灵敏度越高。根据固有频率的计算公式,光纤Bragg光栅高频振动传感器的固有频率表达式为
由式(12)和式(14)可知,光纤Bragg光栅振动传感器的两个重要指标:灵敏度系数S和固有频率fn,它们与质量块m和光栅长度l的乘积所对应的关系是矛盾的,当灵敏度系数S越大时,其固有频率fn越小。因此,在设计传感器时,必须对二者综合考虑。
把钢管的弹性模量、内外直径、被夹在圆柱内钢管的长度以及质量块的质量代入式(12)和式(14),可得到传感器的灵敏度系数为66.1 m V/(m/s2),谐振频率为3 300 Hz,与实测的灵敏度系数66.9 m V/(m/s2)和谐振频率3 232 Hz非常接近。可见,理论推导结论可作为具体实验的理论依据并指导实验设计。
2 实验与结果
按图1结构制作双光纤光栅加速度传感器,通过实验测试传感器的固有频率、频率检测范围等基本特性,验证该传感器结构是否合理。实验采用北京测振仪器厂生产的振动台施加激振信号,信号的采集和分析采用北京东方振动和噪声研究所研制的智能信号采集仪完成。
图2为双光纤光栅加速度传感器的实验测试原理框图。由信号发生器发出标准正弦信号,输入功率放大器,功率放大器与激振器相连接,驱动激振台,双光纤光栅加速度传感器安装在激振台上,当激振台振动时,传感器与之一起振动,因此,双光纤光栅加速度传感器可检测到激振台的振动信号。为了检测传感器的测试频率范围,我们从振动台的最低振动频率开始采集,直到采集不到传感器的信号为止,从而确定传感器的频率范围。测试结果表明,该双光纤光栅加速度传感器可在52 000 Hz频率范围内获得稳定的振动信号,且灵敏度较高。图3(a)和图3(b)分别为光纤光栅加速度传感器检测到的1 000 Hz和3 000 Hz的振动信号。
3 结论
光纤光栅加速度传感器是目前光纤光栅传感器研究的热点,本文在现有光纤光栅加速度传感器的研究基础上,研究了一种新型双光纤光栅加速度传感器。实测结果表明,该双光纤光栅加速度传感器可在52 000Hz频率范围内获得稳定的振动信号,且灵敏度较高。这种新型双光纤光栅加速度传感器不仅克服了传统悬臂梁FBG加速度传感器难以实现高频振动测量的缺陷,而且还具有温度自补偿、谐振频率高、使用方便等优点,在高频振动测量中具有广阔的应用前景。
摘要：研制了一种新型双光纤光栅加速度传感器,并对该传感器的工作原理和基本特性进行了理论分析,实测表明,这种新型双光纤光栅加速度传感器可在5?2000Hz频率范围内获得稳定的振动信号。这不仅解决了传统悬臂梁FBG加速度传感器难以实现高频振动测量的问题,而且具有温度自补偿、谐振频率高、使用方便等优点,在高频测量中具有广阔的应用前景。
关键词：加速度传感器,双光纤光栅,竖向传感,振动测量
参考文献
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光栅传感器信号精细分方法的探究 第11篇
摘要：光栅传感器信号精细分中细分误差较大的问题，提出一种新的精细分设计方法——A/D采样重构法，来实现精细分，该方法构造的函数与其线性函数之间的理论误差最大不超过0.3%，并在实际测量中与传统的正切法相比，可判断该方法能有效的解决了信号输出非线性较大的问题。
关键词：光栅传感器；精细分；重构法
DOI：10.15938/j.jhust.2016.06.007
中图分类号：TN911.7
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）06-0035-04
0.引言
精密测量技术与我们的生活息息相关，不但在仪器制造、机械生产，武器研制等方面发挥着重要的作用，它更是衡量一个国家科技水平发展的一个标尺，计量光栅作为精密测量的元件，已被广泛的运用，然而，我国的计量光栅技术发展水平还不够完善，难以到达精密测量的要求。
因此，需要对器件输出的信号进行细分来满足精密测量对精度的要求，由于光栅传感器输出的莫尔条纹信号近似为正余弦信号，该正余弦函数是与相位和空间位移——对应的，因此，可以通过对光栅传感器输出的莫尔条纹信号进行细分，来实现精密测量的目的。
光栅传感器实现精密测量的原理是：在使用CPLD对光栅传感器输出的正余弦信号进行N倍细分的同时，对小于1/N栅距的位移进行A/D采样实现更高次的细分。可见，在莫尔条纹信号细分过程中高次细分为重中之重，是决定整个系统分辨力的关键因素。
但在莫尔条纹信号细分过程中高次细分过程中，近似为正弦波的莫尔条纹在90°和270°附近线性很差，变化率很小，直接进行A/D采样会带来难以控制的误差，因此需要将正弦波转化为线性度较好的三角波，这样就会减少误差，从而提高测量精度。
本文设计了A/D采样重构法来实现将正弦波转化为三角波，因该方法是通过A/D对莫尔条纹进行采样，而后重新构造函数，故命名为A/D采样重构法.通过在理论分析和实际测量等方面与传统的正切法相比较，来判断A/D采样重构法在精细分过程中的是否更具优异性。
1.精细分实现方法的原理分析
正余切函数经过上面的变换之后，构造成一个新的函数uA/uA的matlab仿真图如图1所示.
2.两种方法仿真误差的计算与分析
2.1正切法理论误差计算与分析
图3为用MATLAB软件对正切法进行的差值分析的图，由该图可进行正切法的线性误差进行分析：正切法构造的新函数比三角波函数线性度差很多，因此，在理论上会使得精细分的误差较大。
接下来通过对正切法构造的函数进行随机采样，比较各个采样点与三角波函数上对应点差值的大小来进一步说明正切法的准确性如何。
表1为随机选取的30个点得正切法构造函数与三角波函数在对应点的差值，对表中的数据求平均得Arv=-0.05670；对表中的数据求方差得Var=0.00088；对表中的数据求最大值得Mix=0.09052。
由计算出的结果可知，正切法所构造的函数与三角波函数的误差较大，这样就会在细分原理上造成较大的误差，进而降低了整个系统的测量精度，因此需要一种较正切法更好的一种细分方法来实现精密测量，对此本文提出了A/D采样重构法来减少在细分原理上的误差。
由结果可知，A/D采样重构法构造的函数与其线性函数之间的误差最大不超过0.3%，即将该方法的构造函数来进行细分时，细分原理上引入的最大误差不超过0.3%。
接下来通过MATLAB来实现显示与计算A/D采样重构法的构造函数与三角波函数的理论误差。图4为用MATiAB软件对A/D采样重构法进行的差值分析图，由图可以明显的看出：A/D采样重构法构造的新函数与正切函数线性度线性误差较小.与正切法相比，A/D采样重构法线性度好得多，因此，理论上，在精细分过程中，A/D采样重构法比正切法带来的误差较小。
接下来通过对A/D采样重构法构造的函数进行随机采样，比较各个采样点与三角波函数上对应点差值的大小来进一步说明该方法的准确性如何，
表2为随机选取的30个点得A/D采样重构法函数与三角波函数的差值计算值。
对表中的数据求平均值得Arv=-0.02645；对表中的数据求方差得Vat=0.00019；对表中的数据求最大值得Mix=0.04214。
借用MATLAB软件，通过比较两种方法的构造函数与三角波函数之间的差值的平均值、方差和最大值等，可得A/D采样重构法的构造函数的理论误差明顯好于正切法的构造函数。
3.两种方法实际测量误差的计算与分析
通过具体的实际测试来对两种方法的误差进行计算分析，实验环境的搭建是通过具有匀速性的电机作用于光栅传感器（如图5），然后分别用两种方法对产生的莫尔条纹进行处理，接着单片机将数据通过串口输送给计算机，最终由计算机对数据显示、处理并进行误差分析。
通过实际测试，将两种方法所得到的数据分别进行展示（如图6、7），得到的结果分别如图所示：
接下来，分别针对两种方法进行测量所得到的数据进行误差分析，借助MATLAB软件，可以分别得到两种方法的误差分析图（如图8、图9）。
同样可以得到数据在对应点的线性误差值，分别对两种方法求平均值、方差、最大值绝对值，结果如表3。
通过表3可以清楚的看到，A/D采样重构法与三角波的近似度明显好于正切法。
4.结论
光纤光栅传感器 第12篇
光纤Br agg光栅在本质上对应力和温度同时敏感,在利用光纤Br agg光栅检测温度物理量时,不可避免的收到外界环境应力的干扰。在所有引起光纤Br agg光栅波长移位的外界因素中,最直接的是应力、应变参量,因此,双参量的测量问题最终归结为温度与应变的相互作用。在对准静态的温度信号进行检测时,温度变化和应变干扰所导致的波长移位使得难以识别传感器对温度和待测参量的响应。对温度和应变识别的困难是目前限制光纤Br agg光栅作为传感器的主要因素。所以,光纤Br agg光栅的温度与待检测量同时测量的传感技术一直是光纤Br agg光栅传感领域的一个研究热点[1]。
本传感器为解决应变、温度分离的问题,设计了一种可屏蔽应力的光纤Br agg光栅温度传感器。完成光纤Br agg光栅温度传感系统的水中恒温加压实验和等压加热实验。
1 传感器结构和原理
光纤Br agg光栅温度传感器由三部分组成:外管、内管、光纤Br agg光栅。铍青铜用于制造精度高,强度好的元件,黄铜用于制造精度高强度好耐腐蚀的原件,不锈钢用于强度高,耐腐蚀的场合,综合考虑各种材料的性能与材料的易取性与良好的加工性能,本实验选择综合性能比较好且与设备碰撞不易起火花的黄铜做为外管材料,选择不锈钢作为内管材料。图一为光纤Br agg光栅温度传感器结构图。在双层管结构中,外管的主要作用是传导温度和消除外加应力应变对Br agg波长偏移值的影响。光纤Br agg光栅温度传感器封装后,封装材料的热膨胀会改变Br agg光栅的传感特性[2]。所以考虑在内外管中根据内外管材料的膨胀性预留适当长度的光纤,以防止光栅受到材料热膨胀的拉伸导致波长偏移[3,4]。
考虑外管受力情况,Hook定理的一般形式可由下式表示[5-6]:
式(1)中σi为应力张量;Ci j为弹性模量;εj为应变张量。
由体积模量型换能器理论[3]可知,外界压力与封装外管径向的应变函数关系为:
式(2)中,P为外界压力;E为封装外管材料的杨式弹性模量;K为封装外管外径与内径之比;ν为封装外管材料的泊松比。
具体内外管尺寸如图二所示考虑在双层封装时用环氧树脂在一点处将内管粘接在外管内,所以内管外径取5mm,内径取3.5mm。假定温度变化为20~70℃,根据下列金属的线膨胀系数可求出Δl0,则Δl0等于内外管预留光纤的余长。
由于采用特殊的封装结构使得封装有光栅的内管不受外力作用,均匀导热给光纤Br agg光栅,只传递温度参数。光纤Br agg光栅受到温度变化影响,Br agg波长值发生改变,通过测量波长移位就可以确定具体的温度值。
由光纤Br agg光栅温度传感特性可知
式(3)中:α为光纤材料的热膨胀系数,ξ为热光系数,Pe为光纤的有效弹光系数。
在消除外加应力应变作用下,光纤光栅温度传感器Br agg波长的漂移与温度的变化成线性关系。
式(4)中为光纤Br agg光栅的温度系数[1]。
2 对比测试与实验分析
光纤Br agg光栅温度传感器实验主要包括两个部分:(1)通过改变水深(即改变压力大小)来验证封装后的光纤光栅温度传感器对外加应力应变不敏感。(2)通过测温实验标定光纤Br agg光栅温度传感器的性能指标。实验温度为20℃,在不同的压力环境下从0MPa开始一次增加0.5MPa,此压力环境由水压试验机提供。Br agg波长数据如表二所示。
在几次水压改变后Br agg波长基本不变,这就验证了之前的无外加应力应变影响的光纤光栅温度传感器设计方案。
将封装好的FBG温度传感器放置于装有室温水的容器中。从20℃开始升温,每间隔5℃测出波长值,并记录时间。温度变化缓慢可以认为是准静态过程。记录不同温度下的反射波长值,得出波长变化量与温度之间的变化关系,每隔5度测量一次波长。
把获得的实验数据,以传感器的靶片固定端的载荷重量为X轴Br agg光栅中心波长为y轴创建二维坐标图表中,并根据测量数据按最小二乘法原理绘制出线性拟和直线。这样传感器的线性度就可以很直观的从图表显现出来。将传感器的测量数据绘制成表,生成数据对比曲线图就可以很直观的分析传感器的重复性,如表三和图四所示。
根据测温实验数据得到光纤光栅温度传感器的各项静态性能指标,从上图可得出,光纤光栅温度传感系统灵敏度为9.84pm/℃,分辨率为0.102℃,线性度为99.88%,重复性误差1.55%,测量精度为0.8%.
3 结束语
本设计采用的内外双金属管特殊封装结构解决光纤Br agg光栅的应变、温度分离问题。在实验中通过水压改变0~2.0MPa,测试得到Br agg波长的偏移值基本不变,验证了封装后的光纤光栅温度传感器对外加应力应变不敏感。然后采用水浴法在0~70℃范围内标定光纤Br agg光栅温度传感器的性能指标。根据测温实验数据得到光纤光栅温度传感器的静态性能指标.
摘要：采用了双金属管的封装结构对设计的温度传感器进行了封装,为防止光纤光栅受到材料热膨胀的拉伸导致波长偏移,内外管中根据内外管材料的膨胀性预留适当长度的光纤。对封装后的光纤Bragg光栅温度传感器进行了恒温加压实验和持续加热水浴实验。实验数据表明,外界压力对传感器基本不产生影响,该传感器灵敏度为9.84pm/℃,测量精度为0.8%。
关键词：光纤Bragg光栅,交叉敏感,双金属管封装,恒温加压,波长漂移
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