布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一�,與傳�(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的�(yōu)�,�:不受電磁干擾,重量�,體積�,不受腐蝕��
1978年加拿大握太華通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在摻鍺石英光纖中�(fā)�(xiàn)光纖的光敏�,并采用駐波法制成世界上只光纖光柵。但是由于這種刻寫方法的效率很低且靈活性差,在光纖光敏性被�(fā)�(xiàn)后的十年�(nèi)未引起很大的注意。直�1989�,美國�(lián)合技�(shù)研究中心的GMetlz等人利用高強度的紫外激光所形成的干涉條紋對光纖�(jìn)行側(cè)面橫向曝光來�(chǎn)生光纖纖芯中的折射率�(diào)�,即形成光纖光柵。這種刻寫方法效率�,且靈活性好,可以刻寫不同周期的光纖光�。橫�?qū)懭敕ǖ陌l(fā)明使光纖光柵技�(shù)取得了突破性的�(jìn)�,此后的十多年�,光纖光柵一直是光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點之一�
布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一�,與傳�(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的�(yōu)�,�:不受電磁干擾,重量�,體積�,不受腐蝕�。且由于它是波長編碼�,使得它與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比,又有許多�(yōu)�,�:精度不受光源強度影響,受環(huán)境影響小,更加容易�(fù)用和實現(xiàn)分布式傳感等。利用光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)�(fù)用能力強,重量�,體積小等�(yōu)�,埋入�(jiān)測材料中可以方便地實�(xiàn)�(zhǔn)分布式測�,因而是最有希望的智能傳感�(wǎng)�(luò)技�(shù)�
光纖光柵傳感器的�(yīng)用范圍非常廣,民用工程中的�(jié)�(gòu)�(jiān)測是光纖光柵傳感器應(yīng)用的一個熱�,在橋�、建�、海洋石油平臺、油田及航空、大壩等工程都可以�(jìn)行實時安全的溫度及應(yīng)變監(jiān)�?;A(chǔ)�(jié)�(gòu)的狀�(tài),力學(xué)參數(shù)的測量對于橋梁、大�、隧�、高層建筑和運動場館的維�(hù)是至�(guān)重要�,通過測量建筑物的分布�(yīng)�,可以�(yù)知局部荷載的狀�(tài)。光纖光柵傳感器既可以貼在現(xiàn)存結(jié)�(gòu)的表�,也可以在澆筑的時候埋入結(jié)�(gòu)中對�(jié)�(gòu)�(jìn)行實時測�,�(jiān)視結(jié)�(gòu)缺陷的形成和生長。另�,多個光纖光柵傳感器可以串接成一個網(wǎng)�(luò)對結(jié)�(gòu)�(jìn)行準(zhǔn)分布式檢�,傳感信號可以傳輸很長距離送到中心�(jiān)控室�(jìn)行遙測。因此在民用工程�,光纖光柵傳感器成為結(jié)�(gòu)�(jiān)測的最重要手段�
航空航天�(yè)是一個使用傳感器密集的地�,一架飛行器為了�(jiān)測壓�、溫度、振�、燃料液�、起落架狀�(tài)、機翼和方向舵的位置�,所需要使用的傳感器超�100�,因此傳感器的尺寸和重量變得非常重�。光纖光柵傳感器具有體積�,重量�,靈敏度高等優(yōu)�,將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔�(jié)�(gòu)�,組成�(zhǔn)分布式智能傳感網(wǎng)�(luò),可以對飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機械性能及外部環(huán)境�(jìn)行實時監(jiān)��
布拉格光纖光柵傳感器能夠為現(xiàn)代船舶的操作提供瞬時的和豐富的傳感信�,�(jìn)而通過提供船舶操作人員所需要的早期危險報警和損傷評估來保證船舶的安全。現(xiàn)代船用傳感器中多�(dá)90%是壓力或溫度傳感�,通過選擇適當(dāng)?shù)姆庋b和襯底材料可以將光纖光柵�(yīng)變傳感器�(zhuǎn)變成溫度和壓力傳感器,利用波分和時分復(fù)用原�,一個探測系�(tǒng)的光纖光柵傳感器�(shù)量可以多�(dá)�(shù)萬�,從而適�(yīng)不斷增加的艦載控制系�(tǒng)的復(fù)雜�,并有效的降低傳感系統(tǒng)的成��
電力工業(yè)中的�(shè)備大都處在強電磁場中,一般電�(xué)傳感器無法使�。很多情況下需要測量的地方處在高壓�,如高壓開�(guān)的在線監(jiān)�,高壓變壓器繞組、發(fā)電機定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實時測�,這些地方的測量需要傳感器具有很好的絕緣性能、體積要小、而且是無源器�,光纖光柵傳感器是�(jìn)行這些測量的選�。有一些電力設(shè)備經(jīng)常位于難以到�(dá)的地�,如荒山野�、沙漠荒原中的傳輸電纜和中繼變電�,使用�(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系�(tǒng)的遙測能力可以極大地減少�(shè)備維�(hù)費用。因此光纖光柵傳感器在電力工�(yè)中的�(yīng)用前景很��
小尺寸的傳感器在�(yī)�(xué)�(yīng)用中是非常有意義�,光纖光柵傳感器是�(xiàn)今能夠做到最小的光纖傳感�。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能�(jìn)行內(nèi)部測�,提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場的精確局部信�。光纖光柵傳感器對人體組織的損害非常之小,足以避免對正常醫(yī)療過程的干擾�
核工�(yè)存在高輻�,核泄漏對人類是一個極大的威脅,因此對于核電站的安全檢測是非常重要的。由于核裝置的老化,需要更多的維護(hù)和修�,最終必須被拆除,所有這些都不能在�(shè)計時�(yù)�,因此需要更多的傳感器以便遙控設(shè)�,處理不確定情況。同時核廢料的管理也變得越來越重�,需要有�(jiān)測網(wǎng)�(luò)來監(jiān)視核廢料站的狀�,對監(jiān)視網(wǎng)�(luò)長期�(wěn)定的要求也是前所未有�,而光纖光柵傳感網(wǎng)�(luò)可以滿足這些要求�
除了以上�(yīng)用外,光纖光柵傳感器在其他方面也有許多�(yīng)�,例如:
(1)加速度計可用于很多工程的測�,如振動、入射角、事件記錄、平臺穩(wěn)定�、車輛暫停控�、地震監(jiān)�、以及起搏器控制�,用光纖光柵傳感器制作的加速度計表�(xiàn)出良好的性能�
(2)用光纖光柵制作的水聲器用來測量水下聲�,可以實現(xiàn)很好線性響�(yīng)、高靈敏�、高�(wěn)定�、寬的動�(tài)范圍(90dB)和寬的操作頻率范�(從凡kHz到凡MH)z�
(3)用光纖光柵制作的機械工具系統(tǒng)�(jié)�(gòu)形變�(jiān)測傳感器,可以探測到實用結(jié)�(gòu)微米量級的形�,其誤差為0.4%�
由于布拉格光纖光柵傳感器具有以上許多不可替代的優(yōu)點以及廣泛的�(yīng)用前�,自從橫向紫外曝光刻寫技�(shù)面世以來,布拉格光纖光柵傳感器得到了學(xué)�(shù)界和�(chǎn)�(yè)界的廣泛�(guān)�,在短短的十凡年內(nèi)得到了飛速發(fā)�,針對布拉格光纖光柵智能傳感網(wǎng)�(luò)的實用化研究和應(yīng)用已�(jīng)取得了一些�(jìn)�,這主要集中在以下幾個方�:
布拉格光纖光柵傳感器的波長解�(diào)技�(shù)
光纖光柵傳感器經(jīng)過十余年的研究與�(fā)�,至今己�(jīng)出現(xiàn)了許多波長解�(diào)技�(shù)。在實驗室,波長解調(diào)可以用高精度的光譜儀來實�(xiàn),但是由于光譜儀的價格昂�,而且體積�,不適于實際�(yīng)�,所以需要結(jié)�(gòu)緊湊,成本低的解�(diào)系統(tǒng)。具體解決方案主要包括寬帶光濾波法可�(diào)諧窄帶濾波器�,光干涉�,激光器掃描�。成像光譜分析法�。這些方法有著不同的分辨率和動�(tài)范圍,針對不同的�(yīng)用選擇相�(yīng)的解�(diào)方案,可以很好的適用于各種實際應(yīng)��
1)寬帶光濾波法
該方法通過寬帶光源�(fā)出的寬帶�:�(jīng)隔離��3DB鍋合器后,到傳感光柵反射濾波,反射回窄帶�,再�(jīng)過寬帶濾波器(WDM禍合�),由于寬帶濾波器的濾波特性與波卜轟有�(guān),則反射光經(jīng)濾波后探測到的能量與波長有關(guān),再通過相應(yīng)的電子信號處理就能檢測出FBG中心波長的偏移量。這種方案實現(xiàn)簡單,但是精度比較低,波長分辨率大概10pm左右�
2)可調(diào)諧窄帶濾波器�
該方法中,由LED�(fā)出的寬帶�,經(jīng)禍合器到�(dá)FBG傳感器陣列,到達(dá)FBG反射回來的窄帶光再經(jīng)可調(diào)諧F-P濾波器濾�,當(dāng)傳感FBG的中心波長與F-P濾波器透射中心彼長一致時,透射光能�,通過動態(tài)�(diào)諧F-P濾波器的透射波長來動�(tài)“跟�7T傳感光柵的中心波長,就可以實�(xiàn)中心波長偏移量的解調(diào)。這種解調(diào)方案精度較高,由于工作在波長掃描方式,那么只要掃描范圍足夠大,就很容易在一根光纖上�(fù)用多個FBG,但這種方案的掃描頻率不是很�,不適合高速率的動�(tài)傳感�
3)光干涉檢測法
該方法檢測光纖光柵傳感器波長移動是通過一非平衡光纖Mach一Zehnder干涉儀來實�(xiàn)�。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過禍合器入射到傳感FBG�,被FBG反射的光再通過藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉儀。這樣,被FBG反射的這部分光就有效地�(zhuǎn)化為干涉儀的入射光源,由傳感光纖光柵擾動引入的波長移動也就成為此光源的波長(光頻�)�(diào)制信�。由于干涉儀輸出的相位對非平衡千涉儀的輸入波長存在著固有的依賴關(guān)�,布拉格彼長的移動就�(zhuǎn)換為相位的變�,再通過檢a}n}干涉儀輸出光的相位的變化就可以得到布拉格波長的移動情況�
4)可調(diào)諧掃描激光器�
可調(diào)諧掃描激光器法主要是通過可調(diào)諧激光器的波長可�(diào)諧性來動態(tài)跟蹤傳感FBG的中心波��
5)CCD成像光譜分析�
在CCD成像光譜解調(diào)系統(tǒng)�,波長分到提通過個色散元件叻口棱鏡或光柵)來實�(xiàn)的,色散元件把波長轉(zhuǎn)�?yōu)镃CD探測器陣列的像元位置,這樣就把測量光譜線的問題�(zhuǎn)化為判斷光斑所在像元的問題。通常由于FBG的光譜中心分布在幾個相令巧的像元上,所以要�(zhǔn)確檢測中心波長的位置,還必須采用相應(yīng)的算法來實現(xiàn)。CCD成像光譜法有才民大的局限�,即實用的CCD波長響應(yīng)范圍�900nm以下,所以只能對中心波長�900nm以下的光柵傳感器解調(diào)�
由于布拉格光纖光柵的中心波長同時受到溫度和應(yīng)變的影響,所以傳感具體參量的時候必須通過相應(yīng)的方法把這兩個效�(yīng)區(qū)分開。布拉格光纖光柵的溫度和�(yīng)變靈敏度如表�(jīng)過研�,已經(jīng)提出了許多方案來實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時檢測,主要包括以下方法:
(1)參考FBG�
這種方法的原理是引入一個參考FGB,使其不受�(yīng)變影響而只受溫度影�,同時這個參考FGB和傳感FGB處于相同的環(huán)�,這樣就可以通過這個參考FGB來檢測出溫度,再從傳感FGB總的波長偏移量中除去參考FGB的溫度影�,就可以把溫度和應(yīng)變區(qū)分開�
(2)蝕刻FBG�
這種方法通過蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關(guān)�,這樣�(dāng)對其軸向施加均勻�(yīng)力時,沿軸向的�(yīng)變也是呈線性關(guān)�,這樣就導(dǎo)致了惆啾,即反射帶寬的變化,而溫度對其影響只是使其中心波長偏�,而不改變帶寬,也就是帶寬是溫度不敏感的,通過檢測帶寬的變化就可以把溫度效�(yīng)�(dǎo)致的誤差除去。但是這種方法的缺點是減小了光纖的強度,也即減小了傳感的范圍�
(3)雙波長FBG�
這種方法的原理是通過在光纖的同一個位置寫入兩個波長不同的FGB,然后檢測這兩個不同波長的偏移量來分辨溫度和應(yīng)變。因為溫度和�(yīng)變導(dǎo)致的布拉格波長的偏移量由�
(4)FBG諧波�
FGB諧波法和上面的雙波長FGB法原理是一樣的,只是這里用的是FGB的二次諧波而不是兩個波長不同的FGB,�(dāng)FGB的反射率很高�,折射率的�(diào)制有可能不是很好的正弦調(diào)�,從而導(dǎo)致了二次諧波的產(chǎn)�,而這兩個諧波的溫度和應(yīng)變靈敏度不同,通過矩陣法就可以同時檢測溫度和應(yīng)��
(5)FBG和長周期光纖光柵(LpG)混合檢測
通過實驗�(fā)�(xiàn),長周期光纖光�(LpG)的溫度和�(yīng)變靈敏度和FGB有著較大的差�,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和�(yīng)變靈敏度的話,就可以通過�(jié)合FBG和LGP實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分辨。這種方法的缺點是:長周期光柵的帶寬大容易影響測量精度和�(fù)用能�;而且長周期光柵的長度較長,埋設(shè)�(jìn)材料后受非均勻應(yīng)變場的影響很�,從而降低測量精度�
除了以上凡種典型的應(yīng)變溫度分辨方法外,還有采用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實用的分辨技�(shù)還有待�(jìn)一步研��
維庫電子�,電子知�,一查百��
已收錄詞�168572�