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基本知识

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光纤光栅传感系统--基本知识

光纤光栅传感器是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成固定性空间的相位光栅,其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射,其余的波长透过光纤光栅继续传输,反射波长和光栅周期的关系如下:

λ= 2 nΛ

其中n为光纤芯的折射率。Λ为光栅的周期。


图1. 光纤光栅传感系统的基本原理图


1978年,加拿大通信研究中心的K.O.Hill及其合作者首先从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。现在一般采用高强度紫外光源通过Phase Mask所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光以在该光纤芯中产生折射率从而调制或相位光栅。


当光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时,将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率neff产生变化,从而产生光栅Bragg信号的波长漂移B ,通过监测Bragg波长B 的变化情况,即可获得测点上光纤光栅的应变和周围温度的变化状况。光纤光栅波长漂移B与应变和温度变化的关系如下:

其中,一代表光纤的应变效应,第二项表示温度对光纤的影响。在1550 nm波长,典型的应变敏感系数为;温度敏感系数为。所以,光纤光栅Bragg波长的变化与应变或环境温度的变化呈线性变化关系,通过检测光纤光栅Bragg波长,就可以测得应变或环境温度。

在工程应用中一般采用合适应用的方法,用环氧树脂胶进行封装,外加保护封装进行保护,从而形成光纤光栅光纤传感器。

由于光纤光栅(FBG)只能对某个波长进行反射, 反射波长的变化需要通过光纤光栅调解仪来测量,一般需要对多个光纤光栅传感器进行测量,也就是说要进行波分复用,将多个光纤光栅(FBG)的串接、 每个光纤光栅(FBG)对于一个中心波长,在保证测量的动态范围内,各个光纤光栅(FBG)的波长之间不重叠,这样通过光纤光栅解调仪(FBG Interrogator)实现对不同光纤光栅传感器的反射波长的测量, 从而转化成压力或应变的数据。


 


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