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1、2010年10月航空精密制造技术Oct2010第46卷第5期AVIATIONPRECISIONMANUFACTURINGTECHNOLOGYVol.46No.5工艺与设备光纤传感器及其应用技术12宫经宽,刘樾(1.北京航空工程技术研究中心,北京100076;2.北京航空精密机械研究所,北京100076)[摘要]主要介绍了部分光纤传感器的传感原理,分析了应用技术,并对其发展中的问题和趋势提出看法。[关键词]传感器技术;光纤传感器;光纤光栅;光纤传感器应用[中图分类号]TN253[文献标识码]A[文章编号]1003-5451(2010)05-0049-05ApplicationTechn
2、ologyofOpticalFiberSensorGONGJing-Kuan,LIUYue(1.BeijingAeronauticalTechnologyResearchCenter,Beijing1000762.BeijingPrecisionEngineeringInstituteforAircraftIndustry,Beijing100076)[Abstract]Themeasurementprincipleoffiberopticsensorsisintroduced.Itsapplicationtechnologyanddevelopmentareanalyzed.[Keyword
3、s]sensortechnology;optical-fibersensor;fibergrating;fibersensorapplication1引言表1光纤传感器对参数测定的原理及主要方式被测物理量测量方式及光学原理被测物理量测量方式及光学原理传感技术与计算机技术、通讯技术被称为信息法拉第效应干涉现象偏振相位电流位移Sagnac效应产业三大支柱技术,是组成现代信息化技术的基础。Pockels效应电压速度光强反/透/折射损耗世界各大强国均将传感器技术视为国家科技发展战电参量磁致伸缩运动几何参数频率多普勒效应相位电致伸缩略中的重要组成部分,作为国家重点发展的领域之相位干涉现象相位干涉现象
4、振动一。偏振双折射变化压力频率多普勒效应温度光纤传感器主要有传感型和传光型两大类,两力学参数红外辐射光强微弯、散射损失光强类传感器在传感原理上均可分为光强调制、相位调荧光辐射辐射光强吸收损耗制、偏振态调制及波长调制不同形式,由此构成不同的传感器。迄今业已证实,被光纤传感器敏感的物2典型光纤传感原理理量有70多种,与传统的传感器相比,光纤传感器有灵敏度高、重量轻和体积小、多用途、对介质影响2.1光纤Fabry-Perot传感器小、抗电磁干扰和耐腐蚀且本质安全、易于组网等特2.1.1Fabry-Perot腔点,使其近年来在航天航空、国防、能源电力、医疗和光纤Fabry-Perot(F-P)传
5、感器是用光纤构成的F环保、石油化工、食品加工、土木工程等领域的应用-P干涉仪,F-P腔是传感器的核心。光纤F-P传感得到了迅速发展。表1为光纤传感器对参数测定的器主要由两个端面平行并镀膜,严格同轴密封在筒形结原理及主要方式。构中的光纤组成。入射光在两个端面分别反射并发生49光纤传感器及其应用技术干涉,反射光强与反射率和光学位相有关,位相为:为:4L2LD=n0L(1)∀=2=(2)c其中:,n0分别为入射光波长和腔内物质折射公式中:为真空中的波长;D为光纤环直径;N率。当外界作用使得腔体长度L发生变化时,可通过为光纤环数;L=ND是光纤总长度。由相位差可确位相的变化引起的反
6、射光强变化感知外界作用的大定光纤环相对惯性空间的转动。小。2.3光纤光栅传感器2.1.2光纤F-P传感器2.3.1光纤Bragg光栅光纤F-P腔光纤光栅传感作为敏感单元获取器通过Bragg中心被测参量信息,并波长的变化达到传最终经过信号解调感的目的,是一种图2光纤Bragg光栅和处理后得到测量波长调制型传感器。按光栅周期划分,光纤Bragg光结果。光纤F-P栅(FBG)的周期小于1#m,其特点是传输方向相反的传感器需要相干光两个芯模之间发生耦合,属于反射型传感器,如图2所光源。本征型光纤示。Bragg中心波长,B=2neff∃,nef为光栅芯层的有效F-P传感器的F-折射率,Bragg
7、波长的变化率与温度和应变相关:P腔由光纤本身构dB=KTdT+K%d%(3)成,这种长度仅为B几十微米的微腔结其中:KT,K%分别是温度和应变系数。通过对温构有很大的加工难度或应变影响进行补偿和标定,就可利用FBG传感外度。同时,外界因图1光纤白光相关仪传感器界因素的作用。素作用下腔体折射率和长度同时变化,如何区分两个2.3.2光栅Bragg传感器参数的相互影响也是测量中的难题。当光纤Brag
