光纤光栅传感技术的原理与应用

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1、本栏目责任编辑：谢媛媛开发研究与设计技术光纤光栅传感技术的原理与应用王颖(云南农业职业技术学院信息工程系,云南昆明650031)摘要:简要介绍了光纤光栅传感技术的基本原理:通过测量波长的漂移实现对被测量的检测;介绍了光纤光栅所具备的传统光纤传感器所没有的特点:自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用;以及光纤光栅在高精度测温领域、高分辨率应变测量领域、高分辨率液位测量领域三大方面的应用。关键词:光纤光栅;原理;应用中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1009-3044(2007)23-41297-03ThePrincipleandAppli

2、cationofOpticalFiberDiffractionGratingTechnologyWANGYing(YunnanAgriculturalVocationalTechnicalCollege,Informationengineeringdepartment,Kunmin650031,China)Abstract:Thebasicprincipleofopticalfiberdiffractiongrating:realizationtotheexaminationwhichsurveysthroughthesurveywavelength

3、drifting.Introducedthecharacteristicofopticalfiberdiffractiongrating:easyintegratesmanysensorsfromthecalibrationintheidenticalrootopticalfiberduplicatetouse.Theapplicationofopticalfiberdiffractiongratingapplication.Keywords:opticalfiberdiffractiongrating;principle;application1光

4、纤光栅传感技术的原理[1]光纤bragg光栅FBG于1978年问世,这种简单(2)的固有传感元件,可利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内,图1描述了光纤光栅的基本原理。其中,ε—外加应力;Pi,j—光纤的光弹张量系数;ν—泊松比;α—光纤材料(如石英)的热膨胀系数;△T—温度变化量。上式中:因子典型值为0.22。因此,可以推导出在常温和常应力条件下的FBG应力图1基本的光纤光栅传感原理和温度响应条件如式下:常见的FBG传感器通过测量bragg波长的漂移-1实现对被测量的检测,光栅bragg波长(λB)条件可以由με(3)式(1)表示:-1λB=2·n·

5、∧(1)℃(4)式中,∧—光栅周期;1pm的波长分辨率大致对应于1.3m处0.1℃或n—折射率。1℃的温度和应力测量精度。当宽谱光源入射到光纤中,光栅将反射其中以光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点之外,bragg波长ΔλB为中心波长的窄谱分量。在透射谱中,还拥有自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感[2]这一部分分量将消失,ΔλB随应力与温度的漂移为:器复用的特点。图2是光纤光栅传感器在一根光纤内收稿日期:2007-10-03作者简介:王颖(1978-),女,云南昆明人,云南农业职业技术学院讲师,工程硕士。1297开发研究与设计技术本栏目责任编辑：

6、谢媛媛[3]实现多点测量的例子。感器其温度灵敏度系数可达100pm/℃,其测温分辨率为0.01℃,测温精度优于0.1℃。2.2在高分辨率应变(如地层变形)测量领域的应用光纤光栅的应变灵敏度系数约为1.2pm/me左右,目前光纤光栅传感网络分析仪的测量分辨率为1pm,绝对精度为±3pm,因此,未经过封装的光纤光栅图2单根光纤实现多点测量直接用于应变测量时其应变分辨率为0.83me左右图3为传统阻抗计与FBG传感器测试结果的比-7(即可以探测8.3×10的应变变化)。较。美国的MICRON-OPTICS公司所研制的FBG应[9]通过机械增敏封装后的光纤光

7、栅应变传感器其用系统Si425(见图4),可同时测量多达4路512个应变灵敏度系数可达1200pm/me,其应变分辨率为FBG传感器,扫描范围50nm、分辨率1pm、测量频率-100.00083me左右(即可以探测8.3×10的应变变化)。可达244Hz。其实现原理是利用刚性锚杆将锚头与安装基座之间的相对位移传递给位于传感器保护罩内的应变测量敏感元件———光纤光栅。由于光纤光栅的自身长度只有6～10mm,应变分辨率为10-6;通过调节安装基座与锚头之间的刚性锚杆的长度,例如1m到10m,可以使光纤光栅的应变分辨率提高到10-8～10-9量级。2.3在

8、高分辨率液位测量领域的应用图3FBG传感器与传统传感器信号的比较未经封装的光纤光栅可以承受超过3000me的