光纤光栅应变传感的研究

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1、光纤光栅应变传感的研究光纤光栅应变传感的研究天津大学第35卷第4期2002年7月JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYVo1.35No.4Ju1.2002夏秀兰,童峥嵘,盛秋琴,施可彬,杨秀峰(1.天津理工学院光电系天津300191;2.南开大学物理学院天津300071)摘要:采用一种简单的传感装置和匹配光纤光栅强度解调的方法,对光纤光栅应变传感进行了理论分析和实验研究,结果表明,检测信号与传感信号的变化频率一致,相位相反,当传感信号的幅度不太大时,它们的变化波形也一致,实验结果与理论分析基本吻合.关键词:应变传感;匹配光纤光栅;强度解调中图

2、分类号:TP212.14文献标识码:A文章编号:0493-2137(2002)0443473434光纤光栅传感技术具有对信息进行波长编码,抗电磁干扰等许多独特的优点,因而其应用前景广阔,用于应变传感是其中重要的一个方面¨J.作者采用一种基于传感光纤光栅和强度解调匹配光纤光栅的实验装置,在该实验装置中将信号源发出的周期变化的传感信号加到传感光纤光栅上,使其产生周期变化的应变,再利用匹配光纤光栅输出光强变化的光信号进行检测.从理论上分析了应变对光纤光栅布喇格波长的影响和该装置的信号输出特性,讨论了检测信号的频率,相位和波形与传感信号之间的关系.采用本实验装置,

3、当传感信号的变化频率在1～300Hz范围内时,通过实验研究,获得与理论分析基本吻合的结果.1实验装置1.1实验装置实验装置如图1所示.光源为用980nm半导体激光器作为泵浦源的宽带光源;光隔离器的作用是避免反向光对光源的影响;两耦合器的耦合比均为1:1;光纤光栅FBG1为传感光栅,该光栅置于自行设计的基于悬臂梁的传感装置上;光纤光栅FBG2为检测匹配光栅;传感信号由信号源产生,并通过一定的方式施加到传感光栅上;为便于检测信号和传感信号作比较,将以上两信号同时输入示波器进行检测.1.2传感装置光纤光栅FBG1传感器装置如图2所示.该装置主要由一个弹性薄钢片(

4、悬臂梁)和绕有线圈的电磁铁收稿日期:2o022-20.基金项目:天津自然科学基金资助项目(983601711)作者简介:夏秀兰(1946一),女,硕士,副教授.组成.传感光栅粘贴在薄钢片上.当信号源给线圈加上正的大小周期变化的电场(传感信号)时,电磁铁产生的磁场大小随传感信号周期变化,弹性钢片在该磁场作用下振动,致使FBG1产生周期变化的应变.图1实验装置示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentalset-up该实验装置以及所采用的实验方法虽然较简单,但对于定性分析其可靠性和重复性都较好.2理论分析光纤布喇格光栅(FBG)方程

5、为AB:2nA(1)式中,A为布喇格波长;rtff为有效折射率;以为光栅周期.FBG在温度和应变的作用下,其布喇格波长A都要发生漂移.对于石英光纤光栅,A随温度变化的敏感度可表示为_AABT6.67×10一/℃(2)?474?对于A.为1547.4nm的光栅,温度敏感性仅仅为0.01032nm/%,可见温度变化对FBG影响较小.本实验过程温度基本不变,因而对FBG影响可忽略不计.▲l～岛——————■一电磁铁图2光纤光栅传感装置Fig.2FiberBragggratingsensorsystem光纤光栅在应变或应力的作用下,其布喇格波长A的漂移,主要由于在

6、应力的作用下,光栅周期改变,同时由于弹光效应,光纤的有效折射率也会发生变化.光纤光栅的布喇格波长随应变变化的关系基本也是线性的,其表达式为A,2=一()[P+P112(+)]—_=一—一Llf+十fAB(3)式中,,,,为沿光纤轴向方向和光纤截面的应变;P和P,为Poekel系数.如果应变是均匀的且各向同性,FBG又是普通的石英光纤光栅,则对于FBG的应变调谐,拉伸和光弹效应的共同作用产生的调谐范围为A,AAB=0.78AB=0.78(三)A(4)式中,f为光栅区的长度;Al为纵向伸缩量.由式(4)可知调谐范围的大小正比于△f,反比于光栅的长度.且纵向拉伸

7、FBG使其A向长波方向变化,纵向压缩则会使A向短波方向移动.FBG1传感光栅粘贴于悬臂梁的上方一面上.当悬臂梁在上述磁场作用下振动时,梁的上方一面产生拉应力.又光纤的直径较悬臂梁的厚度小得多,悬臂梁振动又较小,所以可近似认为FBG1处于纵向拉伸状态,因而A向长波方向移动.若宽带光源的发射光谱在传感光纤光栅(FBG1)的布喇格波长A处及其附近较平坦,且该平坦处的谱宽比FBG1的反射谱带宽宽得多,则在FBG1反射谱及其调谐范围内可将入射光视为恒定,那么由宽带光源发出的光波经FBG1反射后的光谱线型基本由FBG1的反射谱决定,且该线型可近似视为高斯线型.因耦合器

8、对所经过的光波的光谱线型没有影响,所以由FBG1反射的光波经耦合器