光纤光栅传感器

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1、第13章光纤光栅传感器www.ysu.edu.cn第13章光纤光栅传感器13.2光纤Bragg光栅及其传感模型213.3长周期光纤光栅313.1引言113.4光纤光栅传感器4www.ysu.edu.cn13.1引言光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤心内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤心内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤心内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。www.ysu.edu.cn13.1引言在光学层面，描述光纤光栅传

2、输特性的基本参数为反射率、透射率、中心波长、反射带宽及光栅方程等，因此分析和设计基于光纤光栅的器件时，主要依据以上基本光学参数。基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。www.ysu.edu.cn13.1引言光纤光栅传感器的种类日益丰富。目前，主要的光纤光栅包括光纤Bragg光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器、长周期光纤光栅传感器和光纤Bragg光栅激光传感器等。在现有的技术条件下，光纤光栅在应用于传感领域，一般需考虑以下8个主要问题：(1)光纤光栅的机械可靠性和光学可靠性。www.ysu.e

3、du.cn13.1引言(2)光纤光栅的寿命。(3)光纤光栅的封装。(4)交叉敏感的消除。(5)增敏与去敏。(6)宽光谱、高功率光源的获得。(7)波长移位的检测。(8)光检测器的波长分辨率。www.ysu.edu.cn13.2光纤Bragg光栅及其传感模型光纤Bragg光栅的基本光学参数如下。(1)反射率(13.1)www.ysu.edu.cn13.2光纤Bragg光栅及其传感模型(2)透射率T(13.2)(3)中心波长λmax(13.3)www.ysu.edu.cn13.2光纤Bragg光栅及其传

4、感模型(4)反射带宽Δλ0(13.4)在弱光栅中，，折射率变化极小，由式(13.4)得(13.5)式中，N=L/Λ为光栅周期数。www.ysu.edu.cn13.2光纤Bragg光栅及其传感模型在强光栅中，，折射率变化很大，由式(13.4)得(13.6)(5)光栅方程(13.7)www.ysu.edu.cn113.2.1应变传感模型213.2.2温度传感模型313.2.3动态磁场的传感模型13.2光纤Bragg光栅及其传感模型www.ysu.edu.cn13.2.1应变传感模型采用光纤Bragg光

5、栅可以制成光纤传感器，其中，应力引起光栅Bragg波长的移位可以由式(13.8)统一描述：(13.8)式中，ΔΛ为光纤本身在应力作用下的弹性形变；Δneff为光纤的弹光效应。www.ysu.edu.cn13.2.1应变传感模型1．光纤光栅应变传感模型分析的前提假设外界应力的改变会引起光纤Bragg光栅波长的移位。从物理本质来看，引起波长移位的原因主要包括三个方面：光纤弹性形变、光纤弹光效应及光纤内部引起的波导效应。为了能得到光纤光栅传感器更详细的数学模型，对所研究的光纤光栅做以下假设：(1)作为传

6、感元，光纤光栅的结构仅包含纤心和包层两层，忽略所有外包层的影响。www.ysu.edu.cn13.2.1应变传感模型(2)由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循Hooke定理，且内部不存在切应变。(3)紫外光引起的光敏折射率变化在光纤截面上均匀分布，且这种光致折变不影响光纤自身各向同性的特性。(4)所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间变化的情况。www.ysu.edu.cn13.2.1应变传感模型2．各向同性介质中Hooke定理的一般形式Hooke定理的一般形式可以由

7、式(13.9)表示：(13.9)式中，σi为应力张量；cij为弹性模量；εij为应变张量。www.ysu.edu.cn13.2.1应变传感模型对于各向同性介质，由于材料的对称性，可对进行简化，引入Lamé常数,来表示弹性模量，可得(13.10)式中，Lamé常数,可以用材料弹性模量E及Poission比表示为www.ysu.edu.cn13.2.1应变传感模型(13.11)式(13.10)为均匀介质中Hooke定理的一般形式，该式表明各向同性的均匀弹性体的弹性常数只有两个。由于光纤为柱状结构，通常

8、采用柱坐标下应力应变的表示方式，即将式(13.10)中的下标改为的组合来表示纵向、横向及剪切应变。www.ysu.edu.cn13.2.1应变传感模型3．均匀轴向应力作用下光纤光栅的传感模型均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩，此时各向应力可以表示为（P为外加压强），，且不存在切向应力。根据式(13.10)，各方向的应变为(13.12)www.ysu.edu.cn13.2.1应变传感模型式中，E和V分别为石英光纤的弹性模量及Poission比。现已求得在均匀轴向应值，就可以