實驗力學(xué)第6章-1

6.1光纖傳感器(FOS，F(xiàn)iberOpticalSensor)第6章現(xiàn)代測試技術(shù)

課程《實驗》1.光纖導(dǎo)光的基本原理

1).光纖結(jié)構(gòu)6.1.1.光纖的基本概念40-50um裸光纖5-10μm2－3mm高錕2009諾貝爾物理學(xué)獎2).菲涅爾折射定理n1n2θrθi(a)光的折射示意圖n1sinθi=n2sinθrn1n2θr=90oθi0(b)臨界狀態(tài)示意圖

n1n2θrθi(c)光全反射示意圖

θi0=arcsin(n2/n1)θi>θi0光由光密物質(zhì)入射至光疏物質(zhì)時，當n1＞n2，有θr＞θi

3).數(shù)值孔徑NA(NumericalAperture,NA)光纖導(dǎo)光示意圖θjθiθkθrABCDEFK00n0n2n1Gn0—空氣折射率n1—纖芯折射率n2—包層折射率arcsin(NA)是一臨界角,凡入射角θi＞arcsin(NA)的光線進入光纖都不能傳播而在包層消失；只有入射角θi<arcsin(NA)的光線才可進入光纖被全反射傳播。θjθiθkθrABCDEFK00n0n2n1G2.光纖分類根據(jù)折射率分布函數(shù):階躍光纖、漸變（梯度）光纖階躍光纖折射率分布函數(shù)梯度光纖折射率分布函數(shù)n1n2n(x)x2rn1n1n2n(x)x2rn1單模光纖（長距離）多模光纖（短距離）5-10μm50-60μm只傳一種模式的光用激光做光源可傳多種模式的光，耦合器及接線器按傳榆模數(shù)分類按材料分類高純度石英玻璃纖維——通信光纖

低純度玻璃光纖、塑料光纖——醫(yī)用、照明按用途分類通信光纖（SiO2）

非通信光纖（低純度玻璃、塑料）2.光纖分類6.1.2.光纖傳感器光纖信號處理系統(tǒng)光接收器敏感元件光發(fā)送器光纖傳感器1.光纖傳感器構(gòu)成把被測量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。根據(jù)光纖在傳感器中作用：本征型、非本征型2.光纖傳感器分類信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器光纖非本征型（傳光型）傳導(dǎo)信號處理光接收器光纖光發(fā)送器本征型（傳感型）傳導(dǎo)+

傳感3.工作原理來自光源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與輸入調(diào)制區(qū)的光相互作用，導(dǎo)致光某些特性(強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制信號光，再經(jīng)光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)獲得被測參數(shù)。調(diào)制器入射光纖出射光纖光源輸出強度調(diào)制相位調(diào)制頻率調(diào)制偏振態(tài)調(diào)制波長調(diào)制光的波動方程：根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式1）強度調(diào)制利用被測量變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強變化實現(xiàn)敏感測量的傳感器。小位移調(diào)制、微彎損耗光強調(diào)制、吸收特性強度調(diào)制2）偏振調(diào)制-法拉第磁光效應(yīng)、雙折射效應(yīng)3）頻率調(diào)制-喇曼、多普勒效應(yīng)、光致發(fā)光4）相位調(diào)制-磁致伸縮、電致伸縮、光彈效應(yīng)5）波長調(diào)制-多點測量,解調(diào)技術(shù)復(fù)雜邁克爾遜光纖干涉儀原理圖指標強度型相位型光柵（波長)精度低較高高加工工藝簡單復(fù)雜較復(fù)雜成本低高較低技術(shù)成熟性成熟較成熟成熟可否分布測量(成網(wǎng))可以不可以嵌入性（兼容性）可以較難很好線性度一般一般很好變形能力好差好性能穩(wěn)定較好較好好耐久性好較好好監(jiān)測參數(shù)多少多響應(yīng)頻率帶寬寬窄寬信號解調(diào)設(shè)備簡單復(fù)雜復(fù)雜三種光纖傳感器定性比較結(jié)論：光纖光柵是局部監(jiān)測的最佳選擇4.光纖光柵傳感器優(yōu)點：

分布式或準分布式測量，多點或多參數(shù)測量；

探頭尺寸小，直徑與光纖等同,埋入測量；

波長調(diào)制，抗干擾能力強；

耐久性好，退火，15年；

傳感傳輸一體，易于構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)；

單根光纖單端檢測，減少傳輸線；

抗電磁干擾，光在纖芯中傳輸；6.1.3.光纖光柵傳感器1.基本概念定義：一段纖芯的折射率呈周期性變化的光纖。功能：相當于一個窄帶反射鏡，只反射某一波

長附近的光，其他光無損耗通過。分類：Bragg光柵、長周期光柵、啁啾光柵

?Bragg光柵（反射光柵，短周期光柵）長周期光柵（透射光柵），周期為幾十至幾百μm啁啾光柵，周期不是常數(shù)分類：Bragg光柵、長周期光柵、啁啾光柵

透射光譜

光束1光束2布拉格光柵結(jié)構(gòu)包層纖芯單模摻鍺（硅）光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術(shù)形成。成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋。2光纖Bragg光柵的成柵方法雙光束干涉寫入技術(shù)相位掩膜寫入技術(shù)直接寫入技術(shù)在線成柵技術(shù)光敏性：在244nm紫外光照射下，光纖折射率隨光強發(fā)生永久變化的特性。（1）FBG傳感器基本原理當一寬譜光源入射光纖Bragg光柵時，光柵將反射以布喇格波長λB

為中心波長的窄譜分量，其他的光透射。3.Bragg光柵

(FiberBraggGrating,FBG)

纖芯包層折射率

n2有效折射率neffΛ光柵周期折射率n1透射入射反射應(yīng)變、溫度的變化會引起FBG的周期(Λ)和有效折射率變化（neff），從而使FBG的反射波長變化。FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實現(xiàn)對被測量檢測。兩邊微分應(yīng)變、溫度的變化會引起FBG的周期(Λ)和有效折射率變化（neff），從而使FBG的反射波長變化。FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實現(xiàn)對被測量檢測。(1).FBG有效折射率變化

μ—纖芯的泊松比；P11,P12—纖芯材料的彈光系數(shù)。有效彈光系數(shù)1）FBG應(yīng)變傳感特性－溫度不變軸向力作用下光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變ε(2).FBG光柵周期變化為(1).FBG光柵有效折射率變化為Bragg光柵應(yīng)變靈敏度對于普通的石英光纖，1）FBG應(yīng)變傳感特性－溫度不變則應(yīng)變每變化1με，Bragg光柵波長漂移約為1.21pm只考慮溫度變化

—熱膨脹系數(shù)(1).由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為2）FBG溫度傳感特性－無應(yīng)力條件下

(2).由熱光效應(yīng)引起的有效折射率的變化為—熱光系數(shù)3）FBG傳感器隨應(yīng)力與溫度的同時變化忽略溫度與應(yīng)變之間的交叉敏感4）FBG傳感器的溫度和應(yīng)變同時測量技術(shù)

FBG1FBG2a.參考光纖光柵法相同受外力作用不受外力作用,相同環(huán)境溫度傳感光柵參考光柵FBG1FBG2b.光柵疊加法光纖的相同位置刻不同中心波長的光柵相同受相同外力+環(huán)境溫度作用4）FBG傳感器的溫度和應(yīng)變同時測量技術(shù)

相同2套解調(diào)設(shè)備應(yīng)變或溫度寬帶光源－ΣF-P腔

壓電調(diào)節(jié)片掃描電壓G1G2G3Gn5）光纖FBG光柵解調(diào)原理——波長解調(diào)

耦合器可調(diào)諧光纖法布里-珀羅（F-P)腔濾波器法單根光纖實現(xiàn)多點測量探測器高反射鏡高反射鏡最大光強G1G2G3Gn應(yīng)變或溫度寬帶光源－ΣF-P腔

壓電調(diào)節(jié)片掃描電壓G1G2G3Gn耦合器單根光纖實現(xiàn)多點測量探測器高反射鏡高反射鏡最大光強6）光纖FBG光柵傳感網(wǎng)絡(luò)

寬帶光源窄帶濾波(F-P)波長掃描法波分復(fù)用技術(shù)λ1λ2λ3λn解調(diào)儀每通道可接光柵傳感器個數(shù)(1個通道）一般解調(diào)儀波長范圍△λ為50nm～70nm.光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

針對時分復(fù)用技術(shù)，開發(fā)針對橋梁光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的光開關(guān)控制程序。通過計算機R232串口控制光開關(guān)光路切換。該程序可以實現(xiàn)計算機對四臺1×36光開關(guān)通道切換控制?？梢詮拿颗_光開關(guān)36支光路中，選擇待測光路，設(shè)置待測光路切換時間間隔與循環(huán)采集時間間隔。光開關(guān)最小切換時間間隔為10ms。光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)337）光纖埋入FRP（FiberReinforcedPolymer/Plastic）筋的方法強度高耐腐蝕易布設(shè)工業(yè)化。。。FRP的力學(xué)性能和腐蝕特性光柵智能特性

FRP-OFBG結(jié)構(gòu)材料功能材料（1）FRP-OFBG筋347）光纖埋入FRP筋的方法357）光纖埋入FRP筋的方法36

FRP-OFBG微觀結(jié)構(gòu)縱剖面

橫截面

7）光纖埋入FRP筋的方法37FRP-OFBG筋力學(xué)特性試驗CFRP-OFBG7）光纖埋入FRP筋的方法38溫度標定試驗7）光纖埋入FRP筋的方法（5）光纖光柵傳感器的應(yīng)用埋入式應(yīng)變傳感器焊接式應(yīng)變傳感器吸附式應(yīng)變傳感器-磁鐵鋼結(jié)構(gòu)FRP-OFBG光纖光柵寫入設(shè)備光纖光柵解調(diào)儀光纖光柵生產(chǎn)設(shè)備光纖光柵跳線頭制作傳感器耐久標定傳感器溫度標定傳感器應(yīng)變標定發(fā)光器（1）制作工藝（2）光纖光柵智能監(jiān)測系統(tǒng)

光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

解調(diào)儀光發(fā)生器光開關(guān)光纖光柵智能監(jiān)測軟件DalianUniversityofTechnology448）傳感器粘貼到金屬表面的方法458）傳感器粘貼到金屬表面的方法打磨傳感器布設(shè)玻璃布保護防腐保護光纖光柵應(yīng)變傳感器布設(shè)與保護工藝

469）傳感器埋入到混凝土內(nèi)部的方法479）傳感器埋入到混凝土內(nèi)部的方法（3）光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況：

1）民用土木工程2）航天航空工程

3）船舶工程

4）電力工程

5）石油化工業(yè)

6）核工業(yè)

Sensor山東濱州黃河公路大橋（2004）三塔雙索混凝土梁斜拉橋主橋全長768m，橋跨布置方案:84m(邊跨)+300m(主跨)+84m，100對斜拉索。138支光纖光柵應(yīng)變與溫度傳感器主梁截面應(yīng)變測點布置圖測點縱向受力鋼筋處輸油管線高鐵軌道監(jiān)測光纖布拉格光柵傳感器的發(fā)展

光纖光柵傳感器已經(jīng)從試驗室走向工程應(yīng)用

1978

Hill

制作出第一根光柵

1989

Meltz發(fā)明紫外寫入技術(shù)

1989

Morey研究了光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感特性

1992

Prohaska用光纖光柵研究大跨混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變

1997

Nellen布設(shè)FBGs在Lucerne與WinterhurStock大橋

1998Fuhr

埋入FBGs在Waterbury大橋面板上

1999

Udd

埋入FBGsHorsetailFalls大橋上

2001

歐進萍布設(shè)FBGs在黑龍江省呼蘭河等大橋上

研究成果：光纖光柵溫度敏感消除技術(shù)不同熱膨脹系數(shù)材料法（Yoffe等，1995)負熱膨脹系數(shù)的材料（Iwashima等，1997)

2)應(yīng)變與溫度雙參量同時監(jiān)測技術(shù)光柵重疊法（Xu等，1994）光柵焊接法(James等，1996)

偏振保持法

(Lawvence等，1996)

3)光纖光柵準分布式傳感技術(shù)Rao(1996)11個光柵說明了布拉格傳感網(wǎng)絡(luò)的可行性與優(yōu)越性。Davis(1996)等人用光柵陣列對復(fù)合材料包覆的混凝土圓柱體的拉壓變形進行了測量，測得了3800的最大變形量。Dakin(1999)等人用光柵陣列對異質(zhì)疊合板的疲勞應(yīng)變場進行了測量。4)間接測量其他物理量光柵加速度傳感器（Willsch等，2000）光柵剪應(yīng)力傳感器（Koulaxouzidis等，2000）光柵腐蝕傳感器（Greene等，1997）光柵壓力傳感器（張穎等，2001）應(yīng)用概況：

1）民用土木工程

1993，Udd16個FBG

加拿大BeddingtonTrail大橋進行測量，對光纖光柵的工程應(yīng)用進行了有益的探索。1997，德國Meissner光柵埋入德累斯頓的一座跨度72米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋上變形監(jiān)測1999，Nellen瑞典Sargan附近的隧道巖栓和Lucerne橋預(yù)應(yīng)力索上光纖布拉格光柵傳感器。布拉格光柵可以監(jiān)測碳纖維高達8000的應(yīng)變值1999，Seim、Udd美國Columbia河峽里HorsetailFalls橋上復(fù)合材料加固28個FBG，兩年的健康監(jiān)測。2001年，周智黑龍江省呼蘭河大橋的預(yù)應(yīng)力箱形大梁的施工光纖光柵傳感器，施工與運營監(jiān)測。2）航天航空工程

美國SmartFibresLt.飛機和航天器提供埋有光柵傳感器的復(fù)合材料靈巧結(jié)構(gòu)，以便于結(jié)構(gòu)損傷探測、設(shè)計信息搜集、制造輔助控制、智能控制以及結(jié)構(gòu)尺寸監(jiān)測。美國國家航空和宇宙航行局，對航天飛機進行實時的健康監(jiān)測。其應(yīng)用對象為可重復(fù)使用運載火箭以及麥克唐納-道格拉斯、波音北美和洛克菲德-馬丁3個公司的復(fù)合材料燃料箱。德國1996年，戴姆勒-奔馳研究中心和戴姆勒-奔馳宇航空中客車以及宇航研究院共同研究光纖光柵自適應(yīng)機翼。瑞典光學(xué)研究院用光纖光柵傳感器開發(fā)用于監(jiān)視戰(zhàn)斗機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的時分復(fù)用應(yīng)變和溫度測量系統(tǒng)。加拿大的一個光子研究小組提出用光纖光柵傳感器測