光纖機(jī)械量傳感器

1、 光纖機(jī)械量傳感器可分為傳光型光纖機(jī)械量傳感器可分為傳光型(非功能型非功能型)和傳感型和傳感型(功能型功能型)兩類。兩類。其調(diào)制方式可以是光強(qiáng)調(diào)制、相位調(diào)制、偏其調(diào)制方式可以是光強(qiáng)調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制以及頻率調(diào)制等。振調(diào)制以及頻率調(diào)制等。 傳光型強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器使用的調(diào)制技傳光型強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器使用的調(diào)制技術(shù)分外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制。術(shù)分外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制。外調(diào)制技術(shù)由外加敏感元件控制光源傳輸外調(diào)制技術(shù)由外加敏感元件控制光源傳輸?shù)教綔y(cè)器的光量。外加敏感元件可以是透到探測(cè)器的光量。外加敏感元件可以是透射式的拆射率式的和反射式的。射式的拆射率式的和反射式的。 透射式敏感透射式敏感元件對(duì)傳輸光元件對(duì)傳輸

2、光的影響，實(shí)際的影響，實(shí)際上是一種對(duì)被上是一種對(duì)被測(cè)物理量的模測(cè)物理量的模擬及開關(guān)測(cè)量。擬及開關(guān)測(cè)量。 反射式光纖敏感元件通常是反射式光纖敏感元件通常是由入射光傳輸光纖和反射光由入射光傳輸光纖和反射光收集光纖制成一光纖束。收集光纖制成一光纖束。 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指無(wú)需外強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指無(wú)需外加敏感元件，而靠改變光纖自身的傳輸特性來加敏感元件，而靠改變光纖自身的傳輸特性來實(shí)現(xiàn)傳輸光強(qiáng)度調(diào)制。實(shí)現(xiàn)傳輸光強(qiáng)度調(diào)制。其中最典型的是利用微彎效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。當(dāng)其中最典型的是利用微彎效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。當(dāng)光纖存在微彎曲時(shí)，光纖芯中的傳導(dǎo)模就會(huì)逸光纖存在微彎曲時(shí)，光纖芯中的傳

3、導(dǎo)模就會(huì)逸出到包層成為包層模，從而使傳輸光能量衰減。出到包層成為包層模，從而使傳輸光能量衰減。如果光纖的微彎曲是由外施力或壓力產(chǎn)生的，如果光纖的微彎曲是由外施力或壓力產(chǎn)生的，接收光強(qiáng)變化就與生成光纖形變的物理量有關(guān)。接收光強(qiáng)變化就與生成光纖形變的物理量有關(guān)。6.2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 光纖位移傳感器可分為外調(diào)制式和內(nèi)調(diào)光纖位移傳感器可分為外調(diào)制式和內(nèi)調(diào)制式兩類。制式兩類。 6.2.1 外調(diào)制式位移傳感器外調(diào)制式位移傳感器 透射式位移傳感器，采用兩根同樣芯徑的光纖，透射式位移傳感器，采用兩根同樣芯徑的光纖，并將兩根光纖的端面靠近裝配到一起。光從一根并將兩根光纖的端面靠近裝配到一起。光從

4、一根光纖輸出，通過兩根光纖間微小空隙，進(jìn)入另一光纖輸出，通過兩根光纖間微小空隙，進(jìn)入另一根光纖。根光纖。6.2.2 內(nèi)調(diào)制式位移傳感器內(nèi)調(diào)制式位移傳感器 利用微彎效應(yīng)制作的位移傳感器是一種典型的內(nèi)調(diào)制式光利用微彎效應(yīng)制作的位移傳感器是一種典型的內(nèi)調(diào)制式光纖傳感器。微彎效應(yīng)即待測(cè)物理量變化引起微彎器位移，纖傳感器。微彎效應(yīng)即待測(cè)物理量變化引起微彎器位移，從而使光纖發(fā)生微彎變形，改變模式鍋臺(tái)，纖芯中的光部從而使光纖發(fā)生微彎變形，改變模式鍋臺(tái)，纖芯中的光部分透人包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的分透人包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強(qiáng)度也不同、從而實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度的調(diào)制。由于光強(qiáng)與

5、位移強(qiáng)度也不同、從而實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度的調(diào)制。由于光強(qiáng)與位移之間有一定的函數(shù)關(guān)系，所以利用微彎效應(yīng)可以制成光纖之間有一定的函數(shù)關(guān)系，所以利用微彎效應(yīng)可以制成光纖位移傳感器位移傳感器. 理論和實(shí)驗(yàn)都已證明，使光纖沿軸向產(chǎn)理論和實(shí)驗(yàn)都已證明，使光纖沿軸向產(chǎn)生周期性微彎時(shí)，傳播常數(shù)為生周期性微彎時(shí)，傳播常數(shù)為 和和 的的模之間就會(huì)產(chǎn)生光功率的耦合。波紋板模之間就會(huì)產(chǎn)生光功率的耦合。波紋板周期的長(zhǎng)度周期的長(zhǎng)度 與傳播常數(shù)間滿足下式：與傳播常數(shù)間滿足下式：HeNe激光器發(fā)射出來的光聚焦到階躍型多模光纖激光器發(fā)射出來的光聚焦到階躍型多模光纖的一端。此光纖沒有被復(fù)層，數(shù)值孔徑等于的一端。此光纖沒有被復(fù)層，數(shù)值孔徑

6、等于0.22. 在在變形器前變形器前5cm長(zhǎng)的光纖上除上黑色涂料，以便消除包長(zhǎng)的光纖上除上黑色涂料，以便消除包層模中的光。層模中的光。變形器由兩塊有機(jī)玻璃波紋板組成，每塊波紋板共變形器由兩塊有機(jī)玻璃波紋板組成，每塊波紋板共有有5個(gè)波紋，每個(gè)波紋的長(zhǎng)度為個(gè)波紋，每個(gè)波紋的長(zhǎng)度為3M。變形器的一塊波。變形器的一塊波紋板可通過千分表用手動(dòng)調(diào)節(jié)的方法使它相對(duì)另一紋板可通過千分表用手動(dòng)調(diào)節(jié)的方法使它相對(duì)另一塊產(chǎn)生位移。另一塊板可用壓電式變換器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)塊產(chǎn)生位移。另一塊板可用壓電式變換器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移。位移。用體積為用體積為1cm3的灌滿甘油的檢測(cè)器檢測(cè)包層模中的灌滿甘油的檢測(cè)器檢測(cè)包層模中的光信號(hào)。該檢測(cè)

7、器的的光信號(hào)。該檢測(cè)器的6個(gè)內(nèi)表面安裝著個(gè)內(nèi)表面安裝著6個(gè)太個(gè)太陽(yáng)能電池。檢測(cè)器的直流輸出用數(shù)字式毫伏表陽(yáng)能電池。檢測(cè)器的直流輸出用數(shù)字式毫伏表讀數(shù)、而交流輸出用鎖相放大器檢測(cè)并由記讀數(shù)、而交流輸出用鎖相放大器檢測(cè)并由記錄儀記錄放大器的輸出。錄儀記錄放大器的輸出。傳感器的技術(shù)指標(biāo)傳感器的技術(shù)指標(biāo):1靈敏度靈敏度2線性度線性度3噪聲噪聲4信噪比信噪比 6.2.3 相位干涉式位移傳感器相位干涉式位移傳感器 Mach-Zehnder光纖干涉儀是應(yīng)用較為廣泛的一種干涉儀。光纖干涉儀是應(yīng)用較為廣泛的一種干涉儀?？梢杂糜跍y(cè)量位移，其工作原理如圖可以用于測(cè)量位移，其工作原理如圖522 外施力可以直接產(chǎn)生傳感

8、臂光纖長(zhǎng)度外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長(zhǎng)度L和直徑和直徑d變化以及折變化以及折射率射率n變化。變化。為了改善光纖對(duì)壓力的傳感靈敏度，通常在包層外再涂復(fù)一為了改善光纖對(duì)壓力的傳感靈敏度，通常在包層外再涂復(fù)一層特殊材料。傳感臂上涂復(fù)材料具有層特殊材料。傳感臂上涂復(fù)材料具有“增敏增敏”特性，而參考特性，而參考光纖涂復(fù)材料對(duì)傳感量具有光纖涂復(fù)材料對(duì)傳感量具有“去敏去敏”特性。這樣可以有效提特性。這樣可以有效提高檢測(cè)信噪比。高檢測(cè)信噪比。當(dāng)光纖表面涂復(fù)對(duì)其它物理量敏感的材料時(shí)，例如磁致伸縮當(dāng)光纖表面涂復(fù)對(duì)其它物理量敏感的材料時(shí)，例如磁致伸縮材料、鋁導(dǎo)電膜和壓電材料等，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其它物理量，材料、鋁導(dǎo)電

9、膜和壓電材料等，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其它物理量，如磁場(chǎng)、電流、電壓等的檢測(cè)。如磁場(chǎng)、電流、電壓等的檢測(cè)。6.3 光纖壓力和水聲傳感器光纖壓力和水聲傳感器 測(cè)量壓力和水聲，通常可以采用反射式測(cè)量壓力和水聲，通?？梢圆捎梅瓷涫交蛭澬凸鈴?qiáng)調(diào)制光纖傳感器，也可以或微彎型光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感器，也可以采用相位調(diào)制光纖傳感器和偏振調(diào)制光采用相位調(diào)制光纖傳感器和偏振調(diào)制光纖傳感器。纖傳感器。 6.3.1 全內(nèi)反射光纖壓力傳惑器全內(nèi)反射光纖壓力傳惑器6.3.2 微彎曲光纖水聲傳感器微彎曲光纖水聲傳感器6.3.3 動(dòng)態(tài)壓力傳感器動(dòng)態(tài)壓力傳感器 這種壓力傳感器的靈敏度這種壓力傳感器的靈敏度極高，有很大的實(shí)用價(jià)極高，有很大的

10、實(shí)用價(jià)值尤其適用于微聲壓的測(cè)值尤其適用于微聲壓的測(cè)量，對(duì)測(cè)量空間尺寸受限場(chǎng)量，對(duì)測(cè)量空間尺寸受限場(chǎng)合應(yīng)用更是優(yōu)越。它的工作合應(yīng)用更是優(yōu)越。它的工作帶寬從直流可到帶寬從直流可到20 MHz.6.3.4 偏振調(diào)制光纖壓力和水聲傳感器偏振調(diào)制光纖壓力和水聲傳感器6.4 光纖應(yīng)變傳感器光纖應(yīng)變傳感器 采用脈沖傳輸時(shí)間法可以測(cè)量自由空間采用脈沖傳輸時(shí)間法可以測(cè)量自由空間光路的長(zhǎng)度。這種方法通過測(cè)量光信號(hào)光路的長(zhǎng)度。這種方法通過測(cè)量光信號(hào)到達(dá)靶體又反射回來所占用的時(shí)間來確到達(dá)靶體又反射回來所占用的時(shí)間來確定光經(jīng)過的距離。定光經(jīng)過的距離。 用光纖做測(cè)量光路，傳輸時(shí)間法可適用用光纖做測(cè)量光路，傳輸時(shí)間法可適用

11、于任意彎曲光路及其變化的測(cè)量。于任意彎曲光路及其變化的測(cè)量。系統(tǒng)的振蕩周系統(tǒng)的振蕩周期為期為式中式中L是光纖長(zhǎng)是光纖長(zhǎng)度；度；Ng=c/Vg是是光纖群速度折射光纖群速度折射率；率；el是放大器、是放大器、鑒別器和導(dǎo)線產(chǎn)鑒別器和導(dǎo)線產(chǎn)生的電延遲時(shí)間，生的電延遲時(shí)間，如果忽略材料色散，即如果忽略材料色散，即NgN，由彈性光學(xué)理論可以求得由彈性光學(xué)理論可以求得式中式中Pij是平均應(yīng)變光彈系數(shù)；是平均應(yīng)變光彈系數(shù)；是材料的泊松比。是材料的泊松比。6.5 光纖表面粗糙度傳感器光纖表面粗糙度傳感器 用光纖測(cè)量表面粗糙度，主要是利用它用光纖測(cè)量表面粗糙度，主要是利用它對(duì)光信導(dǎo)的傳輸特性。對(duì)光信導(dǎo)的傳輸特性。

12、6.6 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器 加速度有各種形式如直線加速度，曲加速度有各種形式如直線加速度，曲線加速度及振動(dòng)加速度等。光纖加速度線加速度及振動(dòng)加速度等。光纖加速度傳感器最適合測(cè)量微小振動(dòng)加速度。傳感器最適合測(cè)量微小振動(dòng)加速度。 6.6.1 振動(dòng)加速度傳感器原理振動(dòng)加速度傳感器原理當(dāng)?shù)皖l振動(dòng)時(shí)，當(dāng)?shù)皖l振動(dòng)時(shí)，x與慣與慣性力成比例即與物體性力成比例即與物體的振動(dòng)加速度成比例。的振動(dòng)加速度成比例。 當(dāng)振動(dòng)頻率提高到振動(dòng)當(dāng)振動(dòng)頻率提高到振動(dòng)子的固有振動(dòng)頻率時(shí)，子的固有振動(dòng)頻率時(shí)，產(chǎn)生共振。這時(shí)距離產(chǎn)生共振。這時(shí)距離x與與加速度不存在比例關(guān)系。加速度不存在比例關(guān)系。如果振動(dòng)頻率再進(jìn)一步如果振

13、動(dòng)頻率再進(jìn)一步提高重物就停止振動(dòng)，提高重物就停止振動(dòng)，呈現(xiàn)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。只呈現(xiàn)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。只有位移。有位移。6.6.2 相位調(diào)制光纖加速度傳感器相位調(diào)制光纖加速度傳感器讓加速度計(jì)的外殼以加速度讓加速度計(jì)的外殼以加速度a垂直向上運(yùn)動(dòng)，垂直向上運(yùn)動(dòng)，那么在加速該物體所需的作用力那么在加速該物體所需的作用力F的作用的作用下，上面的一段光纖伸長(zhǎng)下，上面的一段光纖伸長(zhǎng)L，下面的光，下面的光纖則縮短纖則縮短L。這一過程可表示為。這一過程可表示為式中式中A是光纖的橫截面積。是光纖的橫截面積。 T是每根光纖中拉應(yīng)是每根光纖中拉應(yīng)力變化的幅度；系數(shù)力變化的幅度；系數(shù)2是由于存在兩根伸長(zhǎng)和縮短是由于存在兩根伸長(zhǎng)

14、和縮短光纖。光纖。E是光纖的楊氏模量。是光纖的楊氏模量。 光束通過光程光束通過光程L的相移可用下式表示的相移可用下式表示6.7 光纖振動(dòng)傳感器光纖振動(dòng)傳感器 光纖振動(dòng)傳感器常用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，測(cè)量光纖振動(dòng)傳感器常用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，測(cè)量的頻率范圍為的頻率范圍為20200Hz，測(cè)量的振幅為，測(cè)量的振幅為數(shù)微米到百分之幾微米，數(shù)微米到百分之幾微米，6.7.1 相位調(diào)制光纖振動(dòng)傳感器相位調(diào)制光纖振動(dòng)傳感器 光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器(FBG)是利用是利用 Bragg波長(zhǎng)波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力的敏感特性而制成的一種對(duì)溫度、應(yīng)力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器。新型的光纖傳感器。 1 、光纖布喇格光柵原理、光纖

15、布喇格光柵原理光纖布喇格光柵的原理是由于光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，導(dǎo)致一定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式禍合，使得其透射光譜和反射光譜對(duì)該波長(zhǎng)出現(xiàn)奇異性，圖 5.1 表示了其折射率分布模型。整個(gè)光纖曝光區(qū)域的折射率分布可表示為：式中 F(r,z）為光致折射率變化函數(shù)，具有如下特性：式中 a1 為光纖纖芯半徑； a2為光纖包層半徑，相應(yīng)的 n1為纖芯初始折射率；n2為包層折射率； n(r,z）為光致折射率變化； nmax 為折射率最大變化量。因?yàn)橹谱鞴饫w光柵時(shí)需要去掉包層，所以這里的n3一般指空氣折射率。之所以式中出現(xiàn)r和坐標(biāo)項(xiàng)，是為了描述折射率分布在橫截面上的精細(xì)結(jié)構(gòu)。為了給出F

16、(r,z）的一般形式，必須對(duì)引起這種折射率變化的光波場(chǎng)進(jìn)行詳盡分析。目前采用的各類寫入方法中，紫外光波在光纖芯區(qū)沿徑向的光場(chǎng)能量分布大致可分為如下幾類：均勻正弦型、非均勻正弦型、均勻方波型和非均勻方波型。從目前的實(shí)際應(yīng)用來看，非均勻性主要包括光柵周期及折射率調(diào)制沿 Z 軸的漸變性、折射率調(diào)制在橫截面上的非均勻分布等，它們分別可以采用對(duì)光柵傳播常數(shù) kg 修正與 Z 相關(guān)的漸變函數(shù)(z)，以及采用 n(r）代表折射率調(diào)制來描述。為了更全面地描述光致折射率的變化函數(shù)，可以直接采用傅里葉級(jí)數(shù)的形式對(duì)折射率周期變化和準(zhǔn)周期變化進(jìn)行分解?；谶@些考慮，可以采用下列一般性函數(shù)來描述光致折射率變化：式中Fo

17、(r,z）表示由于纖芯對(duì)紫外光的吸收作用而造成的光纖橫向截面曝光不均勻性，或其他因素造成的光柵軸向折射率調(diào)制不均勻性，并有Fo(r,z）max l , 這些不均勻性將會(huì)影響到傳輸光波的偏振及色散特性；kg 2為光柵的傳播常數(shù)；為光柵周期； q 為非正弦分布（如方波分布）時(shí)進(jìn)行傅里葉展開得到的諧波階數(shù)，它將導(dǎo)致高階布喇格波長(zhǎng)的反向耦合； aq為展開系數(shù)；(z)為表示周期非均勻性的漸變函數(shù)。正因?yàn)?z)的漸變性，我們可以將它看作一“準(zhǔn)周期”函數(shù)。 對(duì)包含有(z)的非正弦分布也進(jìn)行了類似于周期函數(shù)的傅里葉展開可以得到光柵區(qū)的實(shí)際折射率分布為 該式即為光纖布喇格光柵的折射率調(diào)制函數(shù)，它給出了光纖光柵的

18、理論模型，是分析光纖光柵特性的基礎(chǔ)。 2 、光纖布喇格光柵傳感原理、光纖布喇格光柵傳感原理 光纖光柵纖芯中的折射率調(diào)制周期由下式給出：這里UV是紫外光源波長(zhǎng)， 是兩相干光束之間的夾角。 由于周期的折射率擾動(dòng)僅會(huì)對(duì)很窄的一由于周期的折射率擾動(dòng)僅會(huì)對(duì)很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時(shí)，入射光能在相應(yīng)的波在光柵中傳播時(shí)，入射光能在相應(yīng)的頻率上被反射回來，其余的透射光譜則頻率上被反射回來，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。這類調(diào)諧波長(zhǎng)反射現(xiàn)象首先是由威用。這類調(diào)諧波長(zhǎng)反射現(xiàn)象首先是由威廉廉

19、布喇格爵士給出解釋的，因而這種光布喇格爵士給出解釋的，因而這種光纖光柵被稱為布喇格光纖光柵，其反射纖光柵被稱為布喇格光纖光柵，其反射條件被稱為布喇格條件。在條件被稱為布喇格條件。在BraggBragg光柵中，光柵中，反射的中心波長(zhǎng)由下式確定：反射的中心波長(zhǎng)由下式確定： 其中其中 n neffeff 是光纖芯區(qū)有效折射率。是光纖芯區(qū)有效折射率。 是光纖是光纖光柵的柵距即周期。光柵的柵距即周期。只有滿足布拉格條件的光只有滿足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射。對(duì)上式取微分可得：波才能被布喇格光柵反射。對(duì)上式取微分可得：從式中可以看出，當(dāng)外界的應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致光纖光柵的或者neff的改變，

20、因而檢測(cè)光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的變化，可以獲知外界應(yīng)力的變化。設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為0和和1，如果，如果滿足布喇格相位匹配條件：滿足布喇格相位匹配條件： 221 其中其中為光柵周期，為光柵周期， 則一個(gè)波的能量可以耦合到另一個(gè)則一個(gè)波的能量可以耦合到另一個(gè)波中去。波中去。 在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為0的光波從的光波從左向右傳播，如果滿足條件：左向右傳播，如果滿足條件：22)(000則這個(gè)光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播則這個(gè)光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長(zhǎng)的反射光中去

21、。的具有相同波長(zhǎng)的反射光中去。設(shè)設(shè)0=2neff/0，其中，其中0為輸入光的波長(zhǎng)，為輸入光的波長(zhǎng)，neff為波為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說，如果導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說，如果0=2neff，光波將發(fā)生反射，這個(gè)波長(zhǎng)光波將發(fā)生反射，這個(gè)波長(zhǎng)0就稱作就稱作布喇格波長(zhǎng)布喇格波長(zhǎng)。光纖光柵的柵距光纖光柵的柵距可通過改變寫入光柵的可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對(duì)角度得到調(diào)整，兩相干紫外光束的相對(duì)角度得到調(diào)整，從而可以制作出不同反射波長(zhǎng)的從而可以制作出不同反射波長(zhǎng)的BraggBragg光光柵。柵。 光纖光柵應(yīng)變傳感器的基本原理是：當(dāng)光柵周圍的光纖光柵應(yīng)變傳感器的基本原理是：當(dāng)光柵周圍的

22、應(yīng)力或者應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折應(yīng)力或者應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵 Bragg 信號(hào)的波長(zhǎng)位移信號(hào)的波長(zhǎng)位移 ，通過監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè) Bragg 波長(zhǎng)位移情況，即可獲得柵周圍波長(zhǎng)位移情況，即可獲得柵周圍的應(yīng)力或者應(yīng)變變化情況。的應(yīng)力或者應(yīng)變變化情況。 由外界應(yīng)力引起光纖光柵軸向應(yīng)變和折射率變化造由外界應(yīng)力引起光纖光柵軸向應(yīng)變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長(zhǎng)移動(dòng)，由下式給出：成光柵布拉格反射波長(zhǎng)移動(dòng)，由下式給出：這里這里B是光柵布拉格反射波長(zhǎng)，是光柵布拉格反射波長(zhǎng)，B為在外界應(yīng)力作用下為在外界應(yīng)力作用下光柵布拉格反射波

23、長(zhǎng)移動(dòng)量，光柵布拉格反射波長(zhǎng)移動(dòng)量，是光纖軸向應(yīng)變，可表是光纖軸向應(yīng)變，可表示為：示為：在實(shí)際應(yīng)用中，在實(shí)際應(yīng)用中， 是個(gè)很小的量，為此引入應(yīng)變量是個(gè)很小的量，為此引入應(yīng)變量的的10-6，作為光纖光柵度量單位。作為光纖光柵度量單位。FBG所具有的多傳感器復(fù)用能力，使它所具有的多傳感器復(fù)用能力，使它在準(zhǔn)分布測(cè)量、多參數(shù)組合測(cè)量等方面在準(zhǔn)分布測(cè)量、多參數(shù)組合測(cè)量等方面顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復(fù)合材顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復(fù)合材料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布及大型電力設(shè)備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)布及大型電力設(shè)備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。控

24、等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。 光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計(jì)算機(jī) 使用現(xiàn)場(chǎng)使用現(xiàn)場(chǎng)控制室內(nèi)控制室內(nèi)傳輸光纜連接光纜FBG探頭3 、光纖布喇格光柵解調(diào)原理、光纖布喇格光柵解調(diào)原理光纖布喇格光柵的解調(diào)有多種方法，下面介紹光纖布喇格光柵的解調(diào)有多種方法，下面介紹匹匹配光纖光柵解調(diào)法配光纖光柵解調(diào)法。匹配光纖光柵檢測(cè)信號(hào)的。匹配光纖光柵檢測(cè)信號(hào)的基本原理如下圖所示，其中左圖為傳感光柵與基本原理如下圖所示，其中左圖為傳感光柵與解調(diào)光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢解調(diào)光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢測(cè)到的信號(hào)測(cè)到的信號(hào)選用一個(gè)與傳感光纖光柵選用一個(gè)與傳感光纖光柵 FBGFBG1 1 參數(shù)相近的光纖光柵

25、參數(shù)相近的光纖光柵 FBGFBG2 2 （匹配光柵）作為檢測(cè)光柵，使兩個(gè)光柵的反（匹配光柵）作為檢測(cè)光柵，使兩個(gè)光柵的反射譜部分重疊，即設(shè)置合適的偏置傳感光纖光柵射譜部分重疊，即設(shè)置合適的偏置傳感光纖光柵的輸出信號(hào)為檢測(cè)光纖光柵的輸入信號(hào)。輸出信號(hào)、的輸出信號(hào)為檢測(cè)光纖光柵的輸入信號(hào)。輸出信號(hào)、輸入信號(hào)都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。輸入信號(hào)都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。 當(dāng)傳感光纖光柵受到應(yīng)變的微擾時(shí)，其輸出的反射當(dāng)傳感光纖光柵受到應(yīng)變的微擾時(shí)，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)光柵的譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)光柵的反射譜是相對(duì)固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸

26、反射譜是相對(duì)固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時(shí)，只有與兩光柵的反射譜重疊部入給解調(diào)光柵時(shí)，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)的光波才可能被反射，而重疊分相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)的光波才可能被反射，而重疊部分的面積與反射譜的光強(qiáng)度成正比部分的面積與反射譜的光強(qiáng)度成正比 當(dāng)兩光柵反射譜重疊面積較大時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到當(dāng)兩光柵反射譜重疊面積較大時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到的光信號(hào)較大，反之則較小，即檢測(cè)器檢測(cè)到的光信號(hào)較大，反之則較小，即檢測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)是檢測(cè)光纖光柵的光強(qiáng)是檢測(cè)光纖光柵 FBG1和匹配光纖光柵和匹配光纖光柵FBG2兩個(gè)光譜函數(shù)的卷積。隨著兩個(gè)光譜函數(shù)的卷積。隨著 FBG1上的微上的微擾，

27、在擾，在 FBG2的反射譜中可檢測(cè)到相對(duì)應(yīng)的一定的反射譜中可檢測(cè)到相對(duì)應(yīng)的一定光強(qiáng)度的光信號(hào)。光強(qiáng)度的光信號(hào)。F-PF-P腔波長(zhǎng)濾波解調(diào)原理腔波長(zhǎng)濾波解調(diào)原理法布里法布里珀羅腔珀羅腔(F-P(F-P腔腔) )的光學(xué)原理是多光束干的光學(xué)原理是多光束干涉，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若以平行光入射到涉，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若以平行光入射到F-F-P P腔腔, ,則只有滿足相干條件的某些特定波長(zhǎng)產(chǎn)生則只有滿足相干條件的某些特定波長(zhǎng)產(chǎn)生相干極大，原理如圖相干極大，原理如圖1 1所示所示, ,由于由于光的入射產(chǎn)生光的入射產(chǎn)生了多個(gè)反射光束了多個(gè)反射光束1 1，2 2，3 3，.和多個(gè)透射光和多個(gè)透射光束，束，.，其

28、透射光強(qiáng)其透射光強(qiáng): : 2sin)1 (41)(220RRII2sin)1 (41)(220RRII其中其中為相鄰兩光束相位差為相鄰兩光束相位差 當(dāng)相位差=2k(k=1,2,3.)時(shí)，入射光完全透射，透射光最強(qiáng)。因此解調(diào)裝置多采用調(diào)諧腔長(zhǎng)的方法，在透射光強(qiáng)達(dá)到最大值時(shí)可求出入射波長(zhǎng)。 2 knh調(diào)制解調(diào)器工作原理簡(jiǎn)圖調(diào)制解調(diào)器工作原理簡(jiǎn)圖 光纖光柵分布傳感技術(shù)是先進(jìn)傳感技術(shù)光纖光柵分布傳感技術(shù)是先進(jìn)傳感技術(shù)發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的高精度、遠(yuǎn)距離、分布式和長(zhǎng)期性的的高精度、遠(yuǎn)距離、分布式和長(zhǎng)期性的技術(shù)要求。技術(shù)要求。 光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔

29、軟、光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干擾能力強(qiáng)、集傳感與傳輸于一體、抗干擾能力強(qiáng)、集傳感與傳輸于一體、易于制作和埋入等優(yōu)點(diǎn)，而且光柵具有易于制作和埋入等優(yōu)點(diǎn)，而且光柵具有波長(zhǎng)分離能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境干擾不敏感、波長(zhǎng)分離能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度極高、能絕對(duì)數(shù)字測(cè)傳感精度和靈敏度極高、能絕對(duì)數(shù)字測(cè)量和精確定位的優(yōu)點(diǎn)。量和精確定位的優(yōu)點(diǎn)。 特別是它可實(shí)現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根特別是它可實(shí)現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應(yīng)用要求刻寫多個(gè)不同布喇格波長(zhǎng)的光柵，據(jù)應(yīng)用要求刻寫多個(gè)不同布喇格波長(zhǎng)的光柵，在光纖一端實(shí)現(xiàn)所有光柵信號(hào)的檢測(cè)；同時(shí)能在光纖一端實(shí)現(xiàn)所有光柵信號(hào)的檢測(cè)；同時(shí)能進(jìn)一步集

30、合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用進(jìn)一步集合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及于對(duì)工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線、分布式檢內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線、分布式檢測(cè)。測(cè)。 目前，應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域目前，應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測(cè)。加拿大卡爾加里當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測(cè)。加拿大卡爾加里附近的附近的Beddington Trail 大橋是最早使用大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量的橋梁之一光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量的橋梁之一（1993年），年），16個(gè)光纖光柵傳感器貼在個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的

31、鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料筋上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，合材料筋上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，這在以前被認(rèn)為是不可能的。這在以前被認(rèn)為是不可能的。 1999年夏，在美國(guó)新墨西哥年夏，在美國(guó)新墨西哥Las Cruces10號(hào)周濟(jì)高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)號(hào)周濟(jì)高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了橋梁上，安裝了120個(gè)光纖光柵傳感器，個(gè)光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)在一座橋梁上使用光纖光柵創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的記錄。這座橋梁于傳感器最多的記錄。這座橋梁于1970年年建成，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了許多疲勞裂紋。建成，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了許多疲勞裂紋。這套光纖光柵傳感系統(tǒng)不僅可

32、以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)這套光纖光柵傳感系統(tǒng)不僅可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車輛進(jìn)行探測(cè)和計(jì)數(shù)，而且可以測(cè)量車車輛進(jìn)行探測(cè)和計(jì)數(shù)，而且可以測(cè)量車輛的速度和重量，有了此系統(tǒng)，就能監(jiān)輛的速度和重量，有了此系統(tǒng)，就能監(jiān)視動(dòng)態(tài)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、退化和損視動(dòng)態(tài)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、退化和損壞，了解橋梁對(duì)交通響應(yīng)的長(zhǎng)期變化。壞，了解橋梁對(duì)交通響應(yīng)的長(zhǎng)期變化。 美國(guó)巴特勒縣建造的全復(fù)合材料橋梁埋美國(guó)巴特勒縣建造的全復(fù)合材料橋梁埋入了光纖光柵應(yīng)變傳感器，可有規(guī)律的入了光纖光柵應(yīng)變傳感器，可有規(guī)律的監(jiān)視橋梁的荷載響應(yīng)和長(zhǎng)期性能。監(jiān)視橋梁的荷載響應(yīng)和長(zhǎng)期性能。 佛蒙特大學(xué)用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)沃特佛蒙特大學(xué)用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)沃特伯里佛蒙特鋼構(gòu)架大

33、橋。俄勒岡哥倫比伯里佛蒙特鋼構(gòu)架大橋。俄勒岡哥倫比亞河谷的亞河谷的Horsetail fall橋也安裝了橋也安裝了28個(gè)光個(gè)光纖光柵傳感器來監(jiān)視橋梁結(jié)構(gòu)情況。纖光柵傳感器來監(jiān)視橋梁結(jié)構(gòu)情況。 德國(guó)德累斯頓附近的預(yù)應(yīng)力混凝土橋、德國(guó)德累斯頓附近的預(yù)應(yīng)力混凝土橋、比利時(shí)跟特環(huán)城運(yùn)河預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、比利時(shí)跟特環(huán)城運(yùn)河預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、瑞士洛桑附近的瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架橋、瑞箱形梁高架橋、瑞士溫特圖爾的士溫特圖爾的Storck橋、加拿大溫尼伯橋、加拿大溫尼伯湖附近的湖附近的Taylor橋都使用了光纖光柵傳橋都使用了光纖光柵傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 武漢理工大學(xué)光纖中心作為國(guó)家唯一的

34、武漢理工大學(xué)光纖中心作為國(guó)家唯一的光纖傳感技術(shù)工業(yè)試驗(yàn)基地，依托在國(guó)光纖傳感技術(shù)工業(yè)試驗(yàn)基地，依托在國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)和本校在工程結(jié)構(gòu)、內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)和本校在工程結(jié)構(gòu)、光電子學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域光電子學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的多學(xué)科優(yōu)勢(shì)，以結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測(cè)技術(shù)為的多學(xué)科優(yōu)勢(shì)，以結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測(cè)技術(shù)為突破口，以工程應(yīng)用為根本，從九十年突破口，以工程應(yīng)用為根本，從九十年代初期在國(guó)內(nèi)率先開展了研究，取得了代初期在國(guó)內(nèi)率先開展了研究，取得了一系列的研究成果，成功地開發(fā)出多種一系列的研究成果，成功地開發(fā)出多種光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 1. 深圳市民中心大廈光纖光柵智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；深圳

35、市民中心大廈光纖光柵智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 2. 襄樊漢江四橋錨索光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；襄樊漢江四橋錨索光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 3. 寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應(yīng)力分布測(cè)量系統(tǒng)；寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應(yīng)力分布測(cè)量系統(tǒng)； 4. 巴東長(zhǎng)江大橋雙塔光纖光柵和應(yīng)力施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)巴東長(zhǎng)江大橋雙塔光纖光柵和應(yīng)力施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng) 期智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；期智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 5. 海口世紀(jì)大橋光纖光柵長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；海口世紀(jì)大橋光纖光柵長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 6. 貴陽(yáng)冷飯盒大橋光纖光柵預(yù)應(yīng)力施工監(jiān)控系統(tǒng)及長(zhǎng)貴陽(yáng)冷飯盒大橋光纖光柵預(yù)應(yīng)力施工監(jiān)控系統(tǒng)及長(zhǎng)期智能健康系統(tǒng)。期智能健康系統(tǒng)。SYGE 光纖光柵解調(diào)實(shí)驗(yàn)儀

36、光纖光柵解調(diào)實(shí)驗(yàn)儀 1 概述概述 SYGE 光纖光柵實(shí)驗(yàn)儀是用于光纖光柵解調(diào)實(shí)驗(yàn)的專用儀器。該實(shí)驗(yàn)儀外接不同的光柵傳感探頭就可以進(jìn)行不同的光柵解調(diào)實(shí)驗(yàn)，例如當(dāng)它外接光柵測(cè)溫探頭時(shí)可以進(jìn)行光柵溫度實(shí)驗(yàn)，外接光柵應(yīng)力探頭時(shí)可進(jìn)行光柵應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。 2 工作原理工作原理本實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖如下所示，從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)禍合器傳送到 FBG 傳感器。 FBG 傳感器反射回的光經(jīng)過耦合器引入到可調(diào)諧 FP 腔中。通過調(diào)節(jié)螺旋測(cè)距儀，使透過 FP 腔的光的波長(zhǎng)發(fā)生改變。若 FP 腔的透射波長(zhǎng)與 FBG 的反射波長(zhǎng)重合，則探測(cè)器能探測(cè)到最大光強(qiáng)，根據(jù)此刻的螺旋測(cè)距儀的讀數(shù)，通過查找“刻度一波長(zhǎng)對(duì)照表”，就可得到被測(cè)光柵的中心波長(zhǎng)。 SYGE SYGE 光纖光柵實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)框圖光纖光柵實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)框圖 波長(zhǎng)調(diào)節(jié)部分的核心為一個(gè)可調(diào)諧的法布里泊羅腔（ FP 腔）。兩個(gè)光纖的端面和中間的空氣可以構(gòu)成一個(gè) FP 腔，當(dāng)一定波長(zhǎng)范圍的光平行入射到 FP 腔時(shí)，只有滿足相干條件的某些特定波長(zhǎng)的光才能發(fā)生干涉，產(chǎn)生相干極大。利用 F P 腔的這個(gè)特性可以對(duì) FBG 傳感器的反射波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)。兩光纖的端面間的距離可調(diào)時(shí)該 FP 腔構(gòu)成一個(gè)可調(diào)諧的 FP 腔，反射波長(zhǎng)可變。( 1 ）操作步驟）操作步驟 將電源線接好，開啟電源開關(guān)； 接土用于溫度或應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的光纖光柵接頭，并且將探頭放入被測(cè)介質(zhì)