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1、基于新型长周期光纤光栅的低成本应变传感系统第34卷第3期2005年3月光子ACTAPH0T0NICASINIAVo1.34No.3March20o5基于新型长周期光纤光栅的低成本应变传感系统木李景义饶云江牛永昌聂玲(重庆大学光电工程学院,重庆40OO44)摘要首次利用高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的边缘滤波效应,实现了静态与动态应变的测量.使用单波长输入光,光信号经过长周期光纤光栅衰减后进入光电探测器,最终输出电压信号.当对光栅施加应变时,其中心波长将发生漂移,由于光栅阻带的边缘滤波效应,光电探测器接收的光强会随之变化,测量其输出的电信号,可
2、以得出光栅发生的应变大小与频率.对于静态应变测量,可分辨的最小应变小于10￡,精度为4-10￡;在动态实验中,发现光栅能够响应5kHz以上的动态应变.这种传感系统结构简单,成本低,响应快.关键词长周期光纤光栅;边缘滤波器;光纤传感器;应变传感器中图分类号TB1文献标识码A0引言近年来,光纤光栅传感技术¨有了长足的进步,在这个领域逐步涌现出很多种新型传感器系统.其中基于长周期光纤光栅(LPFG:long—periodfibergrating)的传感器因为用途广泛,所以特别引人注目.LPFG无后向反射,谐振波长因应变,温度,浓度,压力等外界环境的变化而发
3、生漂移,因此,可以用来做传感元件检测此类环境参数的变化J.已有的实验结果表明,当对光栅施加轴向应力时,LPFG的中心波长连同整个带阻区域将发生定向漂移,在一定的应变范围内,谐振波长位移量的大小与应变成线性关系.可以利用这一特性在水坝,桥梁等大型建筑工程的健康检测中测量静态或者动态应变.在已有的利用光纤光栅进行应变测量的报道中,大多是使用宽带光源做输入,光敏光纤制作的光栅做传感,利用光谱仪直接观测波长漂移位移量大小,成本较高.本文首次报道了一种基于新型LPFG的低成本应变传感器.这种传感器系统利用LPFG的边缘滤波效应_9,使用单波长输入光,LPFG做
4、探测及解调,最后经过光电转换采集电压信号,从而实现应变测量.实验中使用的LPFG是用高频CO2激光脉冲在普通光纤中曝光生成的,这种新型的光纤光栅具有优良的应变特性J.在制作过程中,不需要使用掩模板,因此可以灵活改变光栅周期,制作简单;不需要用价格昂贵的光敏光纤.此外,传感系统的输入可以选择一般的DFB激光器,接收信号端可以使用普通的光电探测器,因此整个系统的成本比较低.1静态轴向应变实验和结果实验中使用的LPFG传输谱线如图1,中心波长为1548.1nm,幅值为一21.52dB,3dB带宽大约为'国家杰出青年科学基金(批准号:60025515)资助T
5、el:023—65105543Email:shshjk@sohu.tom收稿日期:2004一O卜198nm,谱线具有较好的斜率.使用的单波长输入光光强为1dbm,波长为1550nln,刚好处于光栅的带阻区域内.如图2,由于边缘滤波效应,对LPFG施加应变,其阻带将向短波方向发生定向漂移,输入光波长位置的光栅衰减率会随之降低,从而导致光电探测器接收到的光强发生变化.实验系统如图3,使用单波长光源做输入,光先通过LPFG,又经由光电探测器,变成电信号后直接用电压表进行测量.实验过程中,将LPFG的一端固定,拉紧后将另外一端固定在微动平台上,两个固定点的距
6、离设置为500mm,通过调整微动平台来给光栅施加应变.旋Wavelength/nm图1长周期光纤光栅谱图Fig.1ThespectraoftheLPFG图2边缘滤波效应示意图Fig.2Thesketchgraphofedgefilter图3静态轴向应变实验装置Fig.3ExperimentalsystemforstaticstrainresponseofLPFG日110兽g—432光子34卷转微动台的螺旋竿,每增加10~e(20￡)记录一次数据,共记录5O组.将应变量与探测所得的电压值绘制成关系曲线,如图4,通过二次曲线拟合的方式可以得到Strain
7、/U图4传感系统的静态轴向应变响应曲线Fig.4ThestaticstrainresponseofthesystemY=10～+O.0349x+26.702(1)由图4中数据可以知道,此传感系统的精度大约为.4-5￡,最小可以分辨10￡.在实际应用此应变传感方案的过程中可以将测得的电压数值Y代入方程,求解相应的应变值.2动态轴向应变实验和结果将静态轴向应变实验系统中的微动平台换成压电陶瓷,光栅一端固定,拉紧,给予一定的预应变之后,将另外一端固定在压电陶瓷的活动面A.对压电陶瓷施加交流电压,A面将拉动光栅伸缩,给光栅带来动态的轴向应力,从而实现光栅的动
8、态轴向应变,实验系统如图5.图5光栅动态轴向应变实验装置Fig.5Experimentalsystemfor
