光纖機械量傳感器重點課件

第六章光纖機械量傳感器第六章光纖機械量傳感器1光纖機械量傳感器可分為傳光型(非功能型)和傳感型(功能型)兩類。其調(diào)制方式可以是光強調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制以及頻率調(diào)制等。

傳光型強度調(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。外調(diào)制技術(shù)由外加敏感元件控制光源傳輸?shù)教綔y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。光纖機械量傳感器可分為傳光型(非功能型)和傳感型(功能型)2

透射式敏感元件對傳輸光的影響，實際上是一種對被測物理量的模擬及開關(guān)測量。透射式敏感元件對傳輸光的影響，實際上是一種對被測物理量的模3

反射式光纖敏感元件通常是由入射光傳輸光纖和反射光收集光纖制成一光纖束。反射式光纖敏感元件通常是由入射光傳輸光纖和反射光收集光纖制4

強度調(diào)制光纖傳感器的內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指無需外加敏感元件，而靠改變光纖自身的傳輸特性來實現(xiàn)傳輸光強度調(diào)制。其中最典型的是利用微彎效應實現(xiàn)光強調(diào)制。當光纖存在微彎曲時，光纖芯中的傳導模就會逸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，接收光強變化就與生成光纖形變的物理量有關(guān)。強度調(diào)制光纖傳感器的內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指無需外加敏感元件，而靠改56.2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)制式兩類。

6.2.1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，并將兩根光纖的端面靠近裝配到一起。光從一根光纖輸出，通過兩根光纖間微小空隙，進入另一根光纖。6.2光纖位移傳感器光纖位移傳感器可分為外調(diào)制式和6光纖機械量傳感器重點課件7光纖機械量傳感器重點課件86.2.2內(nèi)調(diào)制式位移傳感器

利用微彎效應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。微彎效應即待測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，纖芯中的光部分透人包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強度也不同、從而實現(xiàn)了光強度的調(diào)制。由于光強與位移之間有一定的函數(shù)關(guān)系，所以利用微彎效應可以制成光纖位移傳感器.6.2.2內(nèi)調(diào)制式位移傳感器利用微彎效應制作的位移傳9理論和實驗都已證明，使光纖沿軸向產(chǎn)生周期性微彎時，傳播常數(shù)為和的模之間就會產(chǎn)生光功率的耦合。波紋板周期的長度Λ與傳播常數(shù)間滿足下式：理論和實驗都已證明，使光纖沿軸向產(chǎn)生周期性微彎時，傳播常數(shù)為10He—Ne激光器發(fā)射出來的光聚焦到階躍型多模光纖的一端。此光纖沒有被復層，數(shù)值孔徑等于0.22.在變形器前5cm長的光纖上除上黑色涂料，以便消除包層模中的光。He—Ne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11變形器由兩塊有機玻璃波紋板組成，每塊波紋板共有5個波紋，每個波紋的長度為3M。變形器的一塊波紋板可通過千分表用手動調(diào)節(jié)的方法使它相對另一塊產(chǎn)生位移。另一塊板可用壓電式變換器產(chǎn)生動態(tài)位移。變形器由兩塊有機玻璃波紋板組成，每塊波紋板共有5個波紋，每個12用體積為1cm3的灌滿甘油的檢測器檢測包層模中的光信號。該檢測器的6個內(nèi)表面安裝著6個太陽能電池。檢測器的直流輸出用數(shù)字式毫伏表讀數(shù)、而交流輸出用鎖相放大器檢測．并由記錄儀記錄放大器的輸出。用體積為1cm3的灌滿甘油的檢測器檢測包層模中的光信號。該檢13傳感器的技術(shù)指標:1．靈敏度2．線性度3．噪聲4．信噪比傳感器的技術(shù)指標:146.2.3相位干涉式位移傳感器

Mach-Zehnder光纖干涉儀是應用較為廣泛的一種干涉儀?？梢杂糜跍y量位移，其工作原理如圖5—226.2.3相位干涉式位移傳感器Mach-Zehnd15

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外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長度L和直徑d變化以及折射率n變化。為了改善光纖對壓力的傳感靈敏度，通常在包層外再涂復一層特殊材料。傳感臂上涂復材料具有“增敏”特性，而參考光纖涂復材料對傳感量具有“去敏”特性。這樣可以有效提高檢測信噪比。當光纖表面涂復對其它物理量敏感的材料時，例如磁致伸縮材料、鋁導電膜和壓電材料等，則可以實現(xiàn)對其它物理量，如磁場、電流、電壓等的檢測。外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長度L和直徑d變化以及折射率n176.3光纖壓力和水聲傳感器

測量壓力和水聲，通常可以采用反射式或微彎型光強調(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)制光纖傳感器。6.3光纖壓力和水聲傳感器

測量壓力和水聲，通?？梢圆捎?86.3.1全內(nèi)反射光纖壓力傳惑器6.3.1全內(nèi)反射光纖壓力傳惑器196.3.2微彎曲光纖水聲傳感器6.3.2微彎曲光纖水聲傳感器206.3.3動態(tài)壓力傳感器

這種壓力傳感器的靈敏度極高，有很大的實用價值．尤其適用于微聲壓的測量，對測量空間尺寸受限場合應用更是優(yōu)越。它的工作帶寬從直流可到20MHz.6.3.3動態(tài)壓力傳感器這種壓力傳感器的靈敏度極高，216.3.4偏振調(diào)制光纖壓力和水聲傳感器6.3.4偏振調(diào)制光纖壓力和水聲傳感器226.4光纖應變傳感器采用脈沖傳輸時間法可以測量自由空間光路的長度。這種方法通過測量光信號到達靶體又反射回來所占用的時間來確定光經(jīng)過的距離。用光纖做測量光路，傳輸時間法可適用于任意彎曲光路及其變化的測量。6.4光纖應變傳感器采用脈沖傳輸時間法可以測量自由空間23系統(tǒng)的振蕩周期為式中L是光纖長度；Ng=c/Vg是光纖群速度折射率；τel是放大器、鑒別器和導線產(chǎn)生的電延遲時間，系統(tǒng)的振蕩周期為式中L是光纖長度；Ng=c/Vg是光纖群速度24如果忽略材料色散，即Ng＝N，由彈性光學理論可以求得式中Pij是平均應變光彈系數(shù)；γ是材料的泊松比。如果忽略材料色散，即Ng＝N，由彈性光學理論可以求得式中Pi256.5光纖表面粗糙度傳感器

用光纖測量表面粗糙度，主要是利用它對光信導的傳輸特性。6.5光纖表面粗糙度傳感器用光纖測量表面粗糙度，主要是26光纖機械量傳感器重點課件27光纖機械量傳感器重點課件28光纖機械量傳感器重點課件296.6光纖加速度傳感器

加速度有各種形式．如直線加速度，曲線加速度及振動加速度等。光纖加速度傳感器最適合測量微小振動加速度。6.6光纖加速度傳感器加速度有各種形式．如直線加速度，306.6.1振動加速度傳感器原理當?shù)皖l振動時，Δx與慣性力成比例．即與物體的振動加速度成比例。當振動頻率提高到振動子的固有振動頻率時，產(chǎn)生共振。這時距離x與加速度不存在比例關(guān)系。如果振動頻率再進一步提高．重物就停止振動，呈現(xiàn)相對靜止狀態(tài)。只有位移。6.6.1振動加速度傳感器原理當?shù)皖l振動時，Δx與慣性力316.6.2相位調(diào)制光纖加速度傳感器6.6.2相位調(diào)制光纖加速度傳感器32讓加速度計的外殼以加速度a垂直向上運動，那么在加速該物體所需的作用力F的作用下，上面的一段光纖伸長ΔL，下面的光纖則縮短ΔL。這一過程可表示為式中A是光纖的橫截面積。ΔT是每根光纖中拉應力變化的幅度；系數(shù)2是由于存在兩根伸長和縮短光纖。E是光纖的楊氏模量。讓加速度計的外殼以加速度a垂直向上運動，那么在加速該物體所需33光束通過光程L的相移可用下式表示光束通過光程L的相移可用下式表示34光纖機械量傳感器重點課件35光纖機械量傳感器重點課件366.7光纖振動傳感器

光纖振動傳感器常用于現(xiàn)場監(jiān)測，測量的頻率范圍為20~200Hz，測量的振幅為數(shù)微米到百分之幾微米，6.7光纖振動傳感器光纖振動傳感器常用于現(xiàn)場監(jiān)測，測量376.7.1相位調(diào)制光纖振動傳感器6.7.1相位調(diào)制光纖振動傳感器38光纖機械量傳感器重點課件39*光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器(FBG)是利用Bragg波長對溫度、應力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器。

*光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器(FBG)是利用Bragg40光纖光柵工作原理λ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率n2芯層折射率n1感光折射率nλ1λ2…λn光纖光柵工作原理λ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率n241芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板421、光纖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條件的改變，導致一定波長的光波發(fā)生相應的模式禍合，使得其透射光譜和反射光譜對該波長出現(xiàn)奇異性，圖5.1表示了其折射率分布模型。整個光纖曝光區(qū)域的折射率分布可表示為：1、光纖布喇格光柵原理43式中F(r,φ,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，相應的n1為纖芯初始折射率；n2為包層折射率；△n(r,φ,z）為光致折射率變化；△nmax為折射率最大變化量。因為制作光纖光柵時需要去掉包層，所以這里的n3一般指空氣折射率。之所以式中出現(xiàn)r和φ坐標項，是為了描述折射率分布在橫截面上的精細結(jié)構(gòu)。式中F(r,φ,z）為光致折射率變化函數(shù)，具有如下特性：式44為了給出F(r,φ,z）的一般形式，必須對引起這種折射率變化的光波場進行詳盡分析。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。從目前的實際應用來看，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光柵傳播常數(shù)kg修正——與Z相關(guān)的漸變函數(shù)φ(z)，以及采用△n(r）代表折射率調(diào)制來描述。為了給出F(r,φ,z）的一般形式，必須對引起這種折射率變化45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數(shù)的形式對折射率周期變化和準周期變化進行分解?；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(r,φ,z）表示由于纖芯對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,φ,z）max＝l,這些不均勻性將會影響到傳輸光波的偏振及色散特性；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數(shù)46kg＝2π／Λ為光柵的傳播常數(shù)；Λ為光柵周期；q為非正弦分布（如方波分布）時進行傅里葉展開得到的諧波階數(shù)，它將導致高階布喇格波長的反向耦合；aq為展開系數(shù)；φ(z)為表示周期非均勻性的漸變函數(shù)。正因為φ(z)的漸變性，我們可以將它看作一“準周期”函數(shù)。kg＝2π／Λ為光柵的傳播常數(shù)；Λ為光柵周期；q為非正47對包含有φ(z)的非正弦分布也進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理論模型，是分析光纖光柵特性的基礎。對包含有φ(z)的非正弦分布也進行了類似于周期函數(shù)的傅里葉展482、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λUV是紫外光源波長，θ是兩相干光束之間的夾角。2、光纖布喇格光柵傳感原理這里λUV是紫外光源波長，θ是49由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時，入射光能在相應的頻率上被反射回來，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。這類調(diào)諧波長反射現(xiàn)象首先是由威廉?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，其反射條件被稱為布喇格條件。在Bragg光柵中，反射的中心波長由下式確定：由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如50

其中neff是光纖芯區(qū)有效折射率。Λ是光纖光柵的柵距即周期。只有滿足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射。對上式取微分可得：

從式中可以看出，當外界的應力發(fā)生改變時，將會導致光纖光柵的Λ或者neff的改變，因而檢測光纖光柵中心反射波長的變化，可以獲知外界應力的變化。

51設兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿足布喇格相位匹配條件：

其中Λ為光柵周期，則一個波的能量可以耦合到另一個波中去。在反射型濾波器中，我們假設傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：設兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿52則這個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的反射光中去。設β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長，neff為波導或光纖的有效折射率。也就是說，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個波長λ0就稱作布喇格波長。則這個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的反53紫外掩模寫入法相位掩模板芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板芯層包層+1級-1級54光纖光柵的柵距Λ可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度得到調(diào)整，從而可以制作出不同反射波長的Bragg光柵。光纖光柵的柵距Λ可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度55光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的應力或者應變發(fā)生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號的波長位移△λ，通過監(jiān)測Bragg波長位移情況，即可獲得柵周圍的應力或者應變變化情況。由外界應力引起光纖光柵軸向應變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長移動，由下式給出：這里λB是光柵布拉格反射波長，△λB為在外界應力作用下光柵布拉格反射波長移動量，ε是光纖軸向應變，可表示為：光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的56在實際應用中，ε是個很小的量，為此引入應變量的10-6，με作為光纖光柵度量單位。在實際應用中，ε是個很小的量，為此引入應變量的10-6，μ57FBG所具有的多傳感器復用能力，使它在準分布測量、多參數(shù)組合測量等方面顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復合材料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應變分布及大型電力設備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應用前景。

FBG所具有的多傳感器復用能力，使它在準分布測量、多參數(shù)組合58光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計算機使用現(xiàn)場控制室內(nèi)傳輸光纜連接光纜FBG探頭光纖光柵監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計算機593、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，下面介紹匹配光纖光柵解調(diào)法。匹配光纖光柵檢測信號的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測到的信號．3、光纖布喇格光柵解調(diào)原理60選用一個與傳感光纖光柵FBG1參數(shù)相近的光纖光柵FBG2（匹配光柵）作為檢測光柵，使兩個光柵的反射譜部分重疊，即設置合適的偏置．傳感光纖光柵的輸出信號為檢測光纖光柵的輸入信號。輸出信號、輸入信號都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。

選用一個與傳感光纖光柵FBG1參數(shù)相近的光纖光柵FBG61當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)光柵的反射譜是相對固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對應的范圍內(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度成正比．

當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂62當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較大，反之則較小，即檢測器檢測到的光強是檢測光纖光柵FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個光譜函數(shù)的卷積。隨著FBG1上的微擾，在FBG2的反射譜中可檢測到相對應的一定光強度的光信號。當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較大，反之63F-P腔波長濾波解調(diào)原理法布里—珀羅腔(F-P腔)的光學原理是多光束干涉，在一定波長范圍內(nèi)，若以平行光入射到F-P腔,則只有滿足相干條件的某些特定波長產(chǎn)生相干極大，原理如圖1所示,由于光的入射產(chǎn)生了多個反射光束1，2，3，..和多個透射光束，，..，其透射光強:

其中δ為相鄰兩光束相位差

F-P腔波長濾波解調(diào)原理其中δ為相鄰兩光束相位差64當相位差δ=2kπ(k=1,2,3...)時，入射光完全透射，透射光最強。因此解調(diào)裝置多采用調(diào)諧腔長的方法，在透射光強達到最大值時可求出入射波長。

當相位差δ=2kπ(k=1,2,3...)時，65調(diào)制解調(diào)器工作原理簡圖調(diào)制解調(diào)器工作原理簡圖66光纖光柵分布傳感技術(shù)是先進傳感技術(shù)發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術(shù)要求。

光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干擾能力強、集傳感與傳輸于一體、易于制作和埋入等優(yōu)點，而且光柵具有波長分離能力強、對環(huán)境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度極高、能絕對數(shù)字測量和精確定位的優(yōu)點。

光纖光柵分布傳感技術(shù)是先進傳感技術(shù)發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代67特別是它可實現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應用要求刻寫多個不同布喇格波長的光柵，在光纖一端實現(xiàn)所有光柵信號的檢測；同時能進一步集合成分布傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，可廣泛應用于對工程結(jié)構(gòu)的應力、應變、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實時在線、分布式檢測。特別是它可實現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應用要求刻寫多個不68目前，應用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。加拿大卡爾加里附近的BeddingtonTrail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一（1993年），16個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上，對橋梁結(jié)構(gòu)進行長期監(jiān)測，這在以前被認為是不可能的。目前，應用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。加拿大691999年夏，在美國新墨西哥LasCruces10號周濟高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了120個光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當時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1970年建成，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)不僅可以對標準車輛進行探測和計數(shù)，而且可以測量車輛的速度和重量，有了此系統(tǒng)，就能監(jiān)視動態(tài)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應、退化和損壞，了解橋梁對交通響應的長期變化。

1999年夏，在美國新墨西哥LasCruces10號周濟高70美國巴特勒縣建造的全復合材料橋梁埋入了光纖光柵應變傳感器，可有規(guī)律的監(jiān)視橋梁的荷載響應和長期性能。佛蒙特大學用光纖光柵傳感器監(jiān)測沃特伯里佛蒙特鋼構(gòu)架大橋。俄勒岡哥倫比亞河谷的Horsetailfall橋也安裝了28個光纖光柵傳感器來監(jiān)視橋梁結(jié)構(gòu)情況。美國巴特勒縣建造的全復合材料橋梁埋入了光纖光柵應變傳感器，可71德國德累斯頓附近的預應力混凝土橋、比利時跟特環(huán)城運河預應力混凝土橋梁、瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架橋、瑞士溫特圖爾的Storck橋、加拿大溫尼伯湖附近的Taylor橋都使用了光纖光柵傳感器進行監(jiān)測。德國德累斯頓附近的預應力混凝土橋、比利時跟特環(huán)城運河預應力混72武漢理工大學光纖中心作為國家唯一的光纖傳感技術(shù)工業(yè)試驗基地，依托在國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢和本校在工程結(jié)構(gòu)、光電子學、信息科學、材料科學等領(lǐng)域的多學科優(yōu)勢，以結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測技術(shù)為突破口，以工程應用為根本，從九十年代初期在國內(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)出多種光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)。武漢理工大學光纖中心作為國家唯一的光纖傳感技術(shù)工業(yè)試驗基地，731.

深圳市民中心大廈光纖光柵智能健康監(jiān)測系統(tǒng)；2.

襄樊漢江四橋錨索光纖光柵應力監(jiān)測系統(tǒng)；3.

寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應力分布測量系統(tǒng)；4.

巴東長江大橋雙塔光纖光柵和應力施工監(jiān)測系統(tǒng)長期智能健康監(jiān)測系統(tǒng)；5.

?？谑兰o大橋光纖光柵長期健康監(jiān)測系統(tǒng)；6.

貴陽冷飯盒大橋光纖光柵預應力施工監(jiān)控系統(tǒng)及長期智能健康系統(tǒng)。光纖機械量傳感器重點課件74SYG—E光纖光柵解調(diào)實驗儀

1概述SYG—E光纖光柵實驗儀是用于光纖光柵解調(diào)實驗的專用儀器。該實驗儀外接不同的光柵傳感探頭就可以進行不同的光柵解調(diào)實驗，例如當它外接光柵測溫探頭時可以進行光柵溫度實驗，外接光柵應力探頭時可進行光柵應力實驗。SYG—E光纖光柵解調(diào)實驗儀

1概述75光纖機械量傳感器重點課件762工作原理本實驗儀的結(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F—P腔中。通過調(diào)節(jié)螺旋測距儀，使透過F—P腔的光的波長發(fā)生改變。若F—P腔的透射波長與FBG的反射波長重合，則探測器能探測到最大光強，根據(jù)此刻的螺旋測距儀的讀數(shù)，通過查找“刻度一波長對照表”，就可得到被測光柵的中心波長。

2工作原理77

SYG—E光纖光柵實驗儀結(jié)構(gòu)框圖

SYG—E光纖光柵實驗儀結(jié)構(gòu)框圖78波長調(diào)節(jié)部分的核心為一個可調(diào)諧的法布里—泊羅腔（F—P腔）。兩個光纖的端面和中間的空氣可以構(gòu)成一個F—P腔，當一定波長范圍的光平行入射到F—P腔時，只有滿足相干條件的某些特定波長的光才能發(fā)生干涉，產(chǎn)生相干極大。利用F—P腔的這個特性可以對FBG傳感器的反射波長進行檢測。兩光纖的端面間的距離可調(diào)時該F—P腔構(gòu)成一個可調(diào)諧的F—P腔，反射波長可變。波長調(diào)節(jié)部分的核心為一個可調(diào)諧的法布里—泊羅腔（F—P腔79(1）操作步驟

將電源線接好，開啟電源開關(guān)；接土用于溫度或應力實驗的光纖光柵接頭，并且將探頭放入被測介質(zhì)中；從大到小調(diào)節(jié)波長旋鈕，注意觀察實驗儀面板顯示的數(shù)值；當出現(xiàn)了光強讀數(shù)增加又減小的趨勢時，表示出現(xiàn)一個最大值，精確調(diào)節(jié)至該最大值，記下此時的調(diào)節(jié)旋鈕刻度；根據(jù)“刻度一波長對照表”查出相應的波長值，得到外接光纖光柵的中心波長；撰寫實驗報告，繪制光強、刻度、波長關(guān)系曲線。(1）操作步驟80光纖機械量傳感器重點課件81(3）注意事項1．若外接的被測光柵由于外界因素（例如溫度或者應力）的變化導致被測光柵的中心波長發(fā)生變化后，重新測量時會發(fā)現(xiàn)此時相應的刻度也會發(fā)生變化；2．順時針調(diào)節(jié)旋鈕，則向內(nèi)推進；逆時針調(diào)節(jié)旋鈕則向外推出。當向外調(diào)節(jié)到擰不動時表示已經(jīng)到達最大范圍，不可強擰。旋鈕的最大可調(diào)范圍為lmm—12mm，如果再繼續(xù)強行旋轉(zhuǎn)則會損壞內(nèi)部元件；(3）注意事項823．實驗完畢之后要將旋鈕置于刻度為6mm或之后，以延長儀器的使用壽命。4．有時調(diào)節(jié)過程中會出現(xiàn)數(shù)個峰值，表示被測光柵有數(shù)個中心波長。如果在整個調(diào)節(jié)過程中均沒有出現(xiàn)峰值，則說明被測量光柵的中心波長不在該儀器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，必須重新選擇被測光柵；5．每臺儀器相對應不同的“刻度一波長對照表”，必須注意對照表的編號是否與儀器的編號一致。3．實驗完畢之后要將旋鈕置于刻度為6mm或之后，以延長83實驗中各參數(shù)之間的關(guān)系實驗進行期間會遇到三個數(shù)值，這二個數(shù)值的關(guān)系如圖所示。其中光強值（即面板顯示的讀數(shù)）只起參考作用，當光強最大值出現(xiàn)時所對應的螺旋測距儀的刻度才是實驗中所關(guān)心的數(shù)值，而光強值本身并不重要。通過查找“刻度一波長對照表”得到的與該刻度對應的波長值為實驗最終要得到的值。

實驗中各參數(shù)之間的關(guān)系實驗進行期間會遇到三個數(shù)值，這二個數(shù)值84當被測光柵的中心波長相同時，出現(xiàn)光強最大值的位置是相同的，即旋鈕刻度也應是一致的。但由于光柵反射光的強度并不相同，所以面板上的光強讀數(shù)值有可能并不相同。如圖所示，被測光柵A和C的中心波長相同，但是其最大值的光強值并不致。當被測光柵的中心波長相同時，出現(xiàn)光強最大值的位置是相同的，即85光纖光柵應變傳感實驗

實驗用應變體可以采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，也可采用簡支梁結(jié)構(gòu)。懸臂梁一個矩形彈性形變體一端固定，另一端安裝一個螺旋測微器，作為加載裝置如下圖所示：光纖光柵應變傳感實驗實驗用應變體可以采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，也可采86簡支梁一個矩形彈性形變體兩端固定，中間安裝一個螺旋測微器，作為加載裝置。如下圖所示：

簡支梁一個矩形彈性形變體兩端固定，中間安裝一個螺旋測微器，作87第六章光纖機械量傳感器第六章光纖機械量傳感器88光纖機械量傳感器可分為傳光型(非功能型)和傳感型(功能型)兩類。其調(diào)制方式可以是光強調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制以及頻率調(diào)制等。

傳光型強度調(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。外調(diào)制技術(shù)由外加敏感元件控制光源傳輸?shù)教綔y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。光纖機械量傳感器可分為傳光型(非功能型)和傳感型(功能型)89

透射式敏感元件對傳輸光的影響，實際上是一種對被測物理量的模擬及開關(guān)測量。透射式敏感元件對傳輸光的影響，實際上是一種對被測物理量的模90

反射式光纖敏感元件通常是由入射光傳輸光纖和反射光收集光纖制成一光纖束。反射式光纖敏感元件通常是由入射光傳輸光纖和反射光收集光纖制91

強度調(diào)制光纖傳感器的內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指無需外加敏感元件，而靠改變光纖自身的傳輸特性來實現(xiàn)傳輸光強度調(diào)制。其中最典型的是利用微彎效應實現(xiàn)光強調(diào)制。當光纖存在微彎曲時，光纖芯中的傳導模就會逸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，接收光強變化就與生成光纖形變的物理量有關(guān)。強度調(diào)制光纖傳感器的內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指無需外加敏感元件，而靠改926.2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)制式兩類。

6.2.1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，并將兩根光纖的端面靠近裝配到一起。光從一根光纖輸出，通過兩根光纖間微小空隙，進入另一根光纖。6.2光纖位移傳感器光纖位移傳感器可分為外調(diào)制式和93光纖機械量傳感器重點課件94光纖機械量傳感器重點課件956.2.2內(nèi)調(diào)制式位移傳感器

利用微彎效應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。微彎效應即待測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，纖芯中的光部分透人包層，造成傳輸損耗。微彎程度不同，泄漏光波的強度也不同、從而實現(xiàn)了光強度的調(diào)制。由于光強與位移之間有一定的函數(shù)關(guān)系，所以利用微彎效應可以制成光纖位移傳感器.6.2.2內(nèi)調(diào)制式位移傳感器利用微彎效應制作的位移傳96理論和實驗都已證明，使光纖沿軸向產(chǎn)生周期性微彎時，傳播常數(shù)為和的模之間就會產(chǎn)生光功率的耦合。波紋板周期的長度Λ與傳播常數(shù)間滿足下式：理論和實驗都已證明，使光纖沿軸向產(chǎn)生周期性微彎時，傳播常數(shù)為97He—Ne激光器發(fā)射出來的光聚焦到階躍型多模光纖的一端。此光纖沒有被復層，數(shù)值孔徑等于0.22.在變形器前5cm長的光纖上除上黑色涂料，以便消除包層模中的光。He—Ne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98變形器由兩塊有機玻璃波紋板組成，每塊波紋板共有5個波紋，每個波紋的長度為3M。變形器的一塊波紋板可通過千分表用手動調(diào)節(jié)的方法使它相對另一塊產(chǎn)生位移。另一塊板可用壓電式變換器產(chǎn)生動態(tài)位移。變形器由兩塊有機玻璃波紋板組成，每塊波紋板共有5個波紋，每個99用體積為1cm3的灌滿甘油的檢測器檢測包層模中的光信號。該檢測器的6個內(nèi)表面安裝著6個太陽能電池。檢測器的直流輸出用數(shù)字式毫伏表讀數(shù)、而交流輸出用鎖相放大器檢測．并由記錄儀記錄放大器的輸出。用體積為1cm3的灌滿甘油的檢測器檢測包層模中的光信號。該檢100傳感器的技術(shù)指標:1．靈敏度2．線性度3．噪聲4．信噪比傳感器的技術(shù)指標:1016.2.3相位干涉式位移傳感器

Mach-Zehnder光纖干涉儀是應用較為廣泛的一種干涉儀?？梢杂糜跍y量位移，其工作原理如圖5—226.2.3相位干涉式位移傳感器Mach-Zehnd102

103

外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長度L和直徑d變化以及折射率n變化。為了改善光纖對壓力的傳感靈敏度，通常在包層外再涂復一層特殊材料。傳感臂上涂復材料具有“增敏”特性，而參考光纖涂復材料對傳感量具有“去敏”特性。這樣可以有效提高檢測信噪比。當光纖表面涂復對其它物理量敏感的材料時，例如磁致伸縮材料、鋁導電膜和壓電材料等，則可以實現(xiàn)對其它物理量，如磁場、電流、電壓等的檢測。外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長度L和直徑d變化以及折射率n1046.3光纖壓力和水聲傳感器

測量壓力和水聲，通?？梢圆捎梅瓷涫交蛭澬凸鈴娬{(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)制光纖傳感器。6.3光纖壓力和水聲傳感器

測量壓力和水聲，通?？梢圆捎?056.3.1全內(nèi)反射光纖壓力傳惑器6.3.1全內(nèi)反射光纖壓力傳惑器1066.3.2微彎曲光纖水聲傳感器6.3.2微彎曲光纖水聲傳感器1076.3.3動態(tài)壓力傳感器

這種壓力傳感器的靈敏度極高，有很大的實用價值．尤其適用于微聲壓的測量，對測量空間尺寸受限場合應用更是優(yōu)越。它的工作帶寬從直流可到20MHz.6.3.3動態(tài)壓力傳感器這種壓力傳感器的靈敏度極高，1086.3.4偏振調(diào)制光纖壓力和水聲傳感器6.3.4偏振調(diào)制光纖壓力和水聲傳感器1096.4光纖應變傳感器采用脈沖傳輸時間法可以測量自由空間光路的長度。這種方法通過測量光信號到達靶體又反射回來所占用的時間來確定光經(jīng)過的距離。用光纖做測量光路，傳輸時間法可適用于任意彎曲光路及其變化的測量。6.4光纖應變傳感器采用脈沖傳輸時間法可以測量自由空間110系統(tǒng)的振蕩周期為式中L是光纖長度；Ng=c/Vg是光纖群速度折射率；τel是放大器、鑒別器和導線產(chǎn)生的電延遲時間，系統(tǒng)的振蕩周期為式中L是光纖長度；Ng=c/Vg是光纖群速度111如果忽略材料色散，即Ng＝N，由彈性光學理論可以求得式中Pij是平均應變光彈系數(shù)；γ是材料的泊松比。如果忽略材料色散，即Ng＝N，由彈性光學理論可以求得式中Pi1126.5光纖表面粗糙度傳感器

用光纖測量表面粗糙度，主要是利用它對光信導的傳輸特性。6.5光纖表面粗糙度傳感器用光纖測量表面粗糙度，主要是113光纖機械量傳感器重點課件114光纖機械量傳感器重點課件115光纖機械量傳感器重點課件1166.6光纖加速度傳感器

加速度有各種形式．如直線加速度，曲線加速度及振動加速度等。光纖加速度傳感器最適合測量微小振動加速度。6.6光纖加速度傳感器加速度有各種形式．如直線加速度，1176.6.1振動加速度傳感器原理當?shù)皖l振動時，Δx與慣性力成比例．即與物體的振動加速度成比例。當振動頻率提高到振動子的固有振動頻率時，產(chǎn)生共振。這時距離x與加速度不存在比例關(guān)系。如果振動頻率再進一步提高．重物就停止振動，呈現(xiàn)相對靜止狀態(tài)。只有位移。6.6.1振動加速度傳感器原理當?shù)皖l振動時，Δx與慣性力1186.6.2相位調(diào)制光纖加速度傳感器6.6.2相位調(diào)制光纖加速度傳感器119讓加速度計的外殼以加速度a垂直向上運動，那么在加速該物體所需的作用力F的作用下，上面的一段光纖伸長ΔL，下面的光纖則縮短ΔL。這一過程可表示為式中A是光纖的橫截面積。ΔT是每根光纖中拉應力變化的幅度；系數(shù)2是由于存在兩根伸長和縮短光纖。E是光纖的楊氏模量。讓加速度計的外殼以加速度a垂直向上運動，那么在加速該物體所需120光束通過光程L的相移可用下式表示光束通過光程L的相移可用下式表示121光纖機械量傳感器重點課件122光纖機械量傳感器重點課件1236.7光纖振動傳感器

光纖振動傳感器常用于現(xiàn)場監(jiān)測，測量的頻率范圍為20~200Hz，測量的振幅為數(shù)微米到百分之幾微米，6.7光纖振動傳感器光纖振動傳感器常用于現(xiàn)場監(jiān)測，測量1246.7.1相位調(diào)制光纖振動傳感器6.7.1相位調(diào)制光纖振動傳感器125光纖機械量傳感器重點課件126*光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器(FBG)是利用Bragg波長對溫度、應力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器。

*光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器(FBG)是利用Bragg127光纖光柵工作原理λ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率n2芯層折射率n1感光折射率nλ1λ2…λn光纖光柵工作原理λ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率n2128芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板1291、光纖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條件的改變，導致一定波長的光波發(fā)生相應的模式禍合，使得其透射光譜和反射光譜對該波長出現(xiàn)奇異性，圖5.1表示了其折射率分布模型。整個光纖曝光區(qū)域的折射率分布可表示為：1、光纖布喇格光柵原理130式中F(r,φ,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，相應的n1為纖芯初始折射率；n2為包層折射率；△n(r,φ,z）為光致折射率變化；△nmax為折射率最大變化量。因為制作光纖光柵時需要去掉包層，所以這里的n3一般指空氣折射率。之所以式中出現(xiàn)r和φ坐標項，是為了描述折射率分布在橫截面上的精細結(jié)構(gòu)。式中F(r,φ,z）為光致折射率變化函數(shù)，具有如下特性：式131為了給出F(r,φ,z）的一般形式，必須對引起這種折射率變化的光波場進行詳盡分析。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。從目前的實際應用來看，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光柵傳播常數(shù)kg修正——與Z相關(guān)的漸變函數(shù)φ(z)，以及采用△n(r）代表折射率調(diào)制來描述。為了給出F(r,φ,z）的一般形式，必須對引起這種折射率變化132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數(shù)的形式對折射率周期變化和準周期變化進行分解?；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(r,φ,z）表示由于纖芯對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,φ,z）max＝l,這些不均勻性將會影響到傳輸光波的偏振及色散特性；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數(shù)133kg＝2π／Λ為光柵的傳播常數(shù)；Λ為光柵周期；q為非正弦分布（如方波分布）時進行傅里葉展開得到的諧波階數(shù)，它將導致高階布喇格波長的反向耦合；aq為展開系數(shù)；φ(z)為表示周期非均勻性的漸變函數(shù)。正因為φ(z)的漸變性，我們可以將它看作一“準周期”函數(shù)。kg＝2π／Λ為光柵的傳播常數(shù)；Λ為光柵周期；q為非正134對包含有φ(z)的非正弦分布也進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理論模型，是分析光纖光柵特性的基礎。對包含有φ(z)的非正弦分布也進行了類似于周期函數(shù)的傅里葉展1352、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λUV是紫外光源波長，θ是兩相干光束之間的夾角。2、光纖布喇格光柵傳感原理這里λUV是紫外光源波長，θ是136由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時，入射光能在相應的頻率上被反射回來，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。這類調(diào)諧波長反射現(xiàn)象首先是由威廉?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，其反射條件被稱為布喇格條件。在Bragg光柵中，反射的中心波長由下式確定：由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如137

其中neff是光纖芯區(qū)有效折射率。Λ是光纖光柵的柵距即周期。只有滿足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射。對上式取微分可得：

從式中可以看出，當外界的應力發(fā)生改變時，將會導致光纖光柵的Λ或者neff的改變，因而檢測光纖光柵中心反射波長的變化，可以獲知外界應力的變化。

138設兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿足布喇格相位匹配條件：

其中Λ為光柵周期，則一個波的能量可以耦合到另一個波中去。在反射型濾波器中，我們假設傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：設兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿139則這個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的反射光中去。設β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長，neff為波導或光纖的有效折射率。也就是說，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個波長λ0就稱作布喇格波長。則這個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的反140紫外掩模寫入法相位掩模板芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板芯層包層+1級-1級141光纖光柵的柵距Λ可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度得到調(diào)整，從而可以制作出不同反射波長的Bragg光柵。光纖光柵的柵距Λ可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度142光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的應力或者應變發(fā)生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號的波長位移△λ，通過監(jiān)測Bragg波長位移情況，即可獲得柵周圍的應力或者應變變化情況。由外界應力引起光纖光柵軸向應變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長移動，由下式給出：這里λB是光柵布拉格反射波長，△λB為在外界應力作用下光柵布拉格反射波長移動量，ε是光纖軸向應變，可表示為：光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的143在實際應用中，ε是個很小的量，為此引入應變量的10-6，με作為光纖光柵度量單位。在實際應用中，ε是個很小的量，為此引入應變量的10-6，μ144FBG所具有的多傳感器復用能力，使它在準分布測量、多參數(shù)組合測量等方面顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復合材料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應變分布及大型電力設備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應用前景。

FBG所具有的多傳感器復用能力，使它在準分布測量、多參數(shù)組合145光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計算機使用現(xiàn)場控制室內(nèi)傳輸光纜連接光纜FBG探頭光纖光柵監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計算機1463、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，下面介紹匹配光纖光柵解調(diào)法。匹配光纖光柵檢測信號的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測到的信號．3、光纖布喇格光柵解調(diào)原理147選用一個與傳感光纖光柵FBG1參數(shù)相近的光纖光柵FBG2（匹配光柵）作為檢測光柵，使兩個光柵的反射譜部分重疊，即設置合適的偏置．傳感光纖光柵的輸出信號為檢測光纖光柵的輸入信號。輸出信號、輸入信號都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。

選用一個與傳感光纖光柵FBG1參數(shù)相近的光纖光柵FBG148當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)光柵的反射譜是相對固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對應的范圍內(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度成正比．

當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂149當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較大，反之則較小，即檢測器檢測到的光強是檢測光纖光柵FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個光譜函數(shù)的卷積。隨著FBG1上的微擾，在FBG2的反射譜中可檢測到相對應的一定光強度的光信號。當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較大，反之150F-P腔波長濾波解調(diào)原理法布里—珀羅腔(F-P腔)的光學原理是多光束干涉，在一定波長范圍內(nèi)，若以平行光入射到F-P腔,則只有滿足相干條件的某些特定波長產(chǎn)生相干極大，原理如圖1所示,由于光的入射產(chǎn)生了多個反射光束1，2，3，..和多個透射光束，，..，其透射光強:

其中δ為相鄰兩光束相位差

F-P腔波長濾波解調(diào)原理其中δ為相鄰兩光束相位差151當相位差δ=2kπ(k=1,2,3...)時，入射光完全透射，透射光最強。因此解調(diào)裝置多采用調(diào)諧腔長的方法，在透射光強達到最大值時可求出入射波長。

當相位差δ=2kπ(k=1,2,3...)時，152調(diào)制解調(diào)器工作原理簡圖調(diào)制解調(diào)器工作原理簡圖153光纖光柵分布傳感技術(shù)是先進傳感技術(shù)發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術(shù)要求。

光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干擾能力強、集傳感與傳輸于一體、易于制作和埋入等優(yōu)點，而且光柵具有波長分離能力強、對環(huán)境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度極高、能絕對數(shù)字測量和精確定位的優(yōu)點。

光纖光柵分布傳感技術(shù)是先進傳感技術(shù)發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代154特別是它可實現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應用要求刻寫多個不同布喇格波長的光柵，在光纖一端實現(xiàn)所有光柵信號的檢測；同時能進一步集合成分布傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，可廣泛應用于對工程結(jié)構(gòu)的應力、應變、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實時在線、分布式檢測。特別是它可實現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應用要求刻寫多個不155目前，應用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。加拿大卡爾加里附近的BeddingtonTrail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一（1993年），16個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上，對橋梁結(jié)構(gòu)進行長期監(jiān)測，這在以前被認為是不可能的。目前，應用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。加拿大1561999年夏，在美國新墨西哥LasCruces10號周濟高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了120個光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當時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1970年建成，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)不僅可以對標準車輛進行探測和計數(shù)，而且可以測量車輛的速度和重量，有了此系統(tǒng)，就能監(jiān)視動態(tài)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應、退化和損壞，了解橋梁對交通響應的長期變化。

1999年夏，在美國新墨西哥LasCruces10號周濟高157美國巴特勒縣建造的全復合材料橋梁埋入了光纖光柵應變傳感器，可有規(guī)律的監(jiān)視橋梁的荷載響應和長期性能。佛蒙特大學用光纖光柵傳感器監(jiān)測沃特伯里佛蒙特鋼構(gòu)架大橋。俄勒岡哥倫比亞河谷的Horsetailfall橋也安裝了28個光纖光柵傳感器來監(jiān)視橋梁結(jié)構(gòu)情況。美國巴特勒縣建造的全復合材料橋梁埋入了光纖光柵應變傳感器，可158德國德累斯頓附近的預應力混凝土橋、比利時跟特環(huán)城運河預應力混凝土橋梁、瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架橋、瑞士溫特圖爾的Storck橋、加拿大溫尼伯湖附近的Taylor橋都使用了光纖光柵傳感器進行監(jiān)測。德國德累斯頓附近的預應力混凝土橋、比利時跟特環(huán)城運河預應力混159武漢理工大學光纖中心作為國家唯一的光纖傳感技術(shù)工業(yè)試驗基地，依托在國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢和本校在工程結(jié)構(gòu)、光電子學、信息科學、材料科學等領(lǐng)域的多學科