布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一�,與傳�(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的�(yōu)�(diǎn),�:不受電磁干擾,重量�,體積�,不受腐蝕等�
1978年加拿大握太華通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在摻鍺石英光纖中�(fā)�(xiàn)光纖的光敏�,并采用駐波法制成世界上只光纖光柵。但是由于這種刻寫方法的效率很低且靈活性差,在光纖光敏性被�(fā)�(xiàn)后的十年�(nèi)未引起很大的注意。直�1989�,美國(guó)�(lián)合技�(shù)研究中心的GMetlz等人利用高強(qiáng)度的紫外激光所形成的干涉條紋對(duì)光纖�(jìn)行側(cè)面橫向曝光來�(chǎn)生光纖纖芯中的折射率�(diào)�,即形成光纖光�。這種刻寫方法效率�,且靈活性好,可以刻寫不同周期的光纖光柵。橫�?qū)懭敕ǖ陌l(fā)明使光纖光柵技�(shù)取得了突破性的�(jìn)�,此后的十多年�,光纖光柵一直是光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一�
布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一�,與傳�(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的�(yōu)�(diǎn),�:不受電磁干擾,重量�,體積�,不受腐蝕等。且由于它是波長(zhǎng)編碼�,使得它與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比,又有許多�(yōu)�(diǎn),�:精度不受光源�(qiáng)度影�,受環(huán)境影響小,更加容易�(fù)用和�(shí)�(xiàn)分布式傳感等。利用光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)�(fù)用能力強(qiáng),重量�,體積小等�(yōu)�(diǎn),埋入�(jiān)�(cè)材料中可以方便地�(shí)�(xiàn)�(zhǔn)分布式測(cè)�,因而是最有希望的智能傳感�(wǎng)�(luò)技�(shù)�
光纖光柵傳感器的�(yīng)用范圍非常廣,民用工程中的�(jié)�(gòu)�(jiān)�(cè)是光纖光柵傳感器�(yīng)用的一�(gè)熱點(diǎn),在橋�、建筑、海洋石油平�(tái)、油田及航空、大壩等工程都可以�(jìn)行實(shí)�(shí)安全的溫度及�(yīng)變監(jiān)�(cè)?;A(chǔ)�(jié)�(gòu)的狀�(tài),力學(xué)參數(shù)的測(cè)量對(duì)于橋�、大�、隧�、高層建筑和�(yùn)�(dòng)�(chǎng)館的維護(hù)是至�(guān)重要�,通過�(cè)量建筑物的分布應(yīng)�,可以�(yù)知局部荷載的狀�(tài)。光纖光柵傳感器既可以貼在現(xiàn)存結(jié)�(gòu)的表�,也可以在澆筑的時(shí)候埋入結(jié)�(gòu)中對(duì)�(jié)�(gòu)�(jìn)行實(shí)�(shí)�(cè)�,�(jiān)視結(jié)�(gòu)缺陷的形成和生長(zhǎng)。另�,多�(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一�(gè)�(wǎng)�(luò)�(duì)�(jié)�(gòu)�(jìn)行準(zhǔn)分布式檢�(cè),傳感信號(hào)可以傳輸很長(zhǎng)距離送到中心�(jiān)控室�(jìn)行遙�(cè)。因此在民用工程�,光纖光柵傳感器成為結(jié)�(gòu)�(jiān)�(cè)的最重要手段�
航空航天�(yè)是一�(gè)使用傳感器密集的地方,一架飛行器為了�(jiān)�(cè)壓力、溫�、振�(dòng)、燃料液位、起落架狀�(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置�,所需要使用的傳感器超�100�(gè),因此傳感器的尺寸和重量變得非常重�。光纖光柵傳感器具有體積�,重量�,靈敏度高等優(yōu)�(diǎn),將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔�(jié)�(gòu)�,組成�(zhǔn)分布式智能傳感網(wǎng)�(luò),可以�(duì)飛行器及�(fā)射塔的內(nèi)部機(jī)械性能及外部環(huán)境�(jìn)行實(shí)�(shí)�(jiān)�(cè)�
布拉格光纖光柵傳感器能夠?yàn)楝F(xiàn)代船舶的操作提供瞬時(shí)的和豐富的傳感信�,�(jìn)而通過提供船舶操作人員所需要的早期危險(xiǎn)�(bào)警和損傷�(píng)估來保證船舶的安�?,F(xiàn)代船用傳感器中多�(dá)90%是壓力或溫度傳感�,通過選擇適當(dāng)?shù)姆庋b和襯底材料可以將光纖光柵�(yīng)變傳感器�(zhuǎn)變成溫度和壓力傳感器,利用波分和時(shí)分復(fù)用原�,一�(gè)探測(cè)系統(tǒng)的光纖光柵傳感器�(shù)量可以多�(dá)�(shù)萬�(gè),從而適�(yīng)不斷增加的艦載控制系�(tǒng)的復(fù)雜�,并有效的降低傳感系統(tǒng)的成本�
電力工業(yè)中的�(shè)備大都處在強(qiáng)電磁�(chǎng)�,一般電�(xué)傳感器無法使�。很多情況下需要測(cè)量的地方處在高壓�,如高壓開�(guān)的在線監(jiān)�(cè),高壓變壓器繞組、發(fā)電機(jī)定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實(shí)�(shí)�(cè)�,這些地方的測(cè)量需要傳感器具有很好的絕緣性能、體積要小、而且是無源器�,光纖光柵傳感器是�(jìn)行這些�(cè)量的選擇。有一些電力設(shè)備經(jīng)常位于難以到�(dá)的地�,如荒山野嶺、沙漠荒原中的傳輸電纜和中繼變電�,使用�(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系�(tǒng)的遙�(cè)能力可以極大地減少設(shè)備維�(hù)�(fèi)�。因此光纖光柵傳感器在電力工�(yè)中的�(yīng)用前景很��
小尺寸的傳感器在�(yī)�(xué)�(yīng)用中是非常有意義�,光纖光柵傳感器是�(xiàn)今能夠做到最小的光纖傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式�(duì)人體組織功能�(jìn)行內(nèi)部測(cè)�,提供有關(guān)溫度、壓力和聲波�(chǎng)的精確局部信�。光纖光柵傳感器�(duì)人體組織的損害非常之�,足以避免�(duì)正常�(yī)療過程的干擾�
核工�(yè)存在高輻�,核泄漏對(duì)人類是一�(gè)極大的威�,因此�(duì)于核電站的安全檢�(cè)是非常重要的。由于核裝置的老化,需要更多的維護(hù)和修�,最終必須被拆除,所有這些都不能在�(shè)�(jì)�(shí)�(yù)�,因此需要更多的傳感器以便遙控設(shè)�,處理不確定情�。同�(shí)核廢料的管理也變得越來越重要,需要有�(jiān)�(cè)�(wǎng)�(luò)來監(jiān)視核廢料站的狀�,�(duì)�(jiān)視網(wǎng)�(luò)�(zhǎng)期穩(wěn)定的要求也是前所未有�,而光纖光柵傳感網(wǎng)�(luò)可以滿足這些要求�
除了以上�(yīng)用外,光纖光柵傳感器在其他方面也有許多�(yīng)�,例如:
(1)加速度�(jì)可用于很多工程的�(cè)�,如振�(dòng)、入射角、事件記錄、平�(tái)�(wěn)定�、車輛暫??刂啤⒌卣鸨O(jiān)�(cè)、以及起搏器控制�,用光纖光柵傳感器制作的加速度�(jì)表現(xiàn)出良好的性能�
(2)用光纖光柵制作的水聲器用來測(cè)量水下聲�(chǎng),可以�(shí)�(xiàn)很好線性響�(yīng)、高靈敏�、高�(wěn)定性、寬的動(dòng)�(tài)范圍(90dB)和寬的操作頻率范�(從凡kHz到凡MH)z�
(3)用光纖光柵制作的�(jī)械工具系�(tǒng)�(jié)�(gòu)形變�(jiān)�(cè)傳感�,可以探測(cè)到實(shí)用結(jié)�(gòu)微米量級(jí)的形�,其誤差為0.4%�
由于布拉格光纖光柵傳感器具有以上許多不可替代的優(yōu)�(diǎn)以及廣泛的應(yīng)用前�,自從橫向紫外曝光刻寫技�(shù)面世以來,布拉格光纖光柵傳感器得到了學(xué)�(shù)界和�(chǎn)�(yè)界的廣泛�(guān)�,在短短的十凡年內(nèi)得到了飛速發(fā)�,針對(duì)布拉格光纖光柵智能傳感網(wǎng)�(luò)的實(shí)用化研究和應(yīng)用已�(jīng)取得了一些�(jìn)�,這主要集中在以下幾�(gè)方面:
布拉格光纖光柵傳感器的波�(zhǎng)解調(diào)技�(shù)
光纖光柵傳感器經(jīng)過十余年的研究與�(fā)�,至今己�(jīng)出現(xiàn)了許多波�(zhǎng)解調(diào)技�(shù)。在�(shí)�(yàn)�,波�(zhǎng)解調(diào)可以用高精度的光譜儀來實(shí)�(xiàn),但是由于光譜儀的價(jià)格昂�,而且體積�,不適于�(shí)際應(yīng)�,所以需要結(jié)�(gòu)緊湊,成本低的解�(diào)系統(tǒng)。具體解決方案主要包括寬帶光濾波法可�(diào)諧窄帶濾波器�,光干涉�,激光器掃描�。成像光譜分析法�。這些方法有著不同的分辨率和動(dòng)�(tài)范圍,針�(duì)不同的應(yīng)用選擇相�(yīng)的解�(diào)方案,可以很好的適用于各種實(shí)際應(yīng)��
1)寬帶光濾波法
該方法通過寬帶光源�(fā)出的寬帶�:�(jīng)隔離器,3DB鍋合器后,到傳感光柵反射濾波,反射回窄帶光,再經(jīng)過寬帶濾波器(WDM禍合�),由于寬帶濾波器的濾波特性與波卜轟有�(guān),則反射光經(jīng)濾波后探�(cè)到的能量與波�(zhǎng)有關(guān),再通過相應(yīng)的電子信�(hào)處理就能檢測(cè)出FBG中心波長(zhǎng)的偏移量。這種方案�(shí)�(xiàn)�(jiǎn)單,但是精度比較�,波�(zhǎng)分辨率大�10pm左右�
2)可調(diào)諧窄帶濾波器�
該方法中,由LED�(fā)出的寬帶光,�(jīng)禍合器到�(dá)FBG傳感器陣�,到�(dá)FBG反射回來的窄帶光再經(jīng)可調(diào)諧F-P濾波器濾�,當(dāng)傳感FBG的中心波�(zhǎng)與F-P濾波器透射中心彼長(zhǎng)一致時(shí),透射光能�,通過�(dòng)�(tài)�(diào)諧F-P濾波器的透射波長(zhǎng)來動(dòng)�(tài)“跟�7T傳感光柵的中心波�(zhǎng),就可以�(shí)�(xiàn)中心波長(zhǎng)偏移量的解調(diào)。這種解調(diào)方案精度較高,由于工作在波長(zhǎng)掃描方式,那么只要掃描范圍足夠大,就很容易在一根光纖上�(fù)用多�(gè)FBG,但這種方案的掃描頻率不是很�,不適合高速率的動(dòng)�(tài)傳感�
3)光干涉檢�(cè)�
該方法檢�(cè)光纖光柵傳感器波�(zhǎng)移動(dòng)是通過一非平衡光纖Mach一Zehnder干涉儀來實(shí)�(xiàn)�。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過禍合器入射到傳感FBG�,被FBG反射的光再通過藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉儀。這樣,被FBG反射的這部分光就有效地�(zhuǎn)化為干涉儀的入射光�,由傳感光纖光柵擾動(dòng)引入的波�(zhǎng)移動(dòng)也就成為此光源的波長(zhǎng)(光頻�)�(diào)制信�(hào)。由于干涉儀輸出的相位對(duì)非平衡千涉儀的輸入波�(zhǎng)存在著固有的依賴�(guān)�,布拉格彼長(zhǎng)的移�(dòng)就轉(zhuǎn)換為相位的變�,再通過檢a}n}干涉儀輸出光的相位的變化就可以得到布拉格波�(zhǎng)的移�(dòng)情況�
4)可調(diào)諧掃描激光器�
可調(diào)諧掃描激光器法主要是通過可調(diào)諧激光器的波�(zhǎng)可調(diào)諧性來�(dòng)�(tài)跟蹤傳感FBG的中心波�(zhǎng)�
5)CCD成像光譜分析�
在CCD成像光譜解調(diào)系統(tǒng)中,波長(zhǎng)分到提通過�(gè)色散元件叻口棱鏡或光�)來實(shí)�(xiàn)�,色散元件把波長(zhǎng)�(zhuǎn)�?yōu)镃CD探測(cè)器陣列的像元位置,這樣就把�(cè)量光譜線的問題轉(zhuǎn)化為判斷光斑所在像元的問題。通常由于FBG的光譜中心分布在幾�(gè)相令巧的像元�,所以要�(zhǔn)確檢�(cè)中心波長(zhǎng)的位置,還必須采用相�(yīng)的算法來�(shí)�(xiàn)。CCD成像光譜法有才民大的局限�,即�(shí)用的CCD波長(zhǎng)響應(yīng)范圍�900nm以下,所以只能對(duì)中心波長(zhǎng)�900nm以下的光柵傳感器解調(diào)�
由于布拉格光纖光柵的中心波長(zhǎng)同時(shí)受到溫度和應(yīng)變的影響,所以傳感具體參量的�(shí)候必須通過相應(yīng)的方法把這兩�(gè)效應(yīng)區(qū)分開。布拉格光纖光柵的溫度和�(yīng)變靈敏度如表�(jīng)過研�,已經(jīng)提出了許多方案來�(shí)�(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)檢測(cè),主要包括以下方法:
(1)參考FBG�
這種方法的原理是引入一�(gè)參考FGB,使其不受�(yīng)變影響而只受溫度影�,同時(shí)這�(gè)參考FGB和傳感FGB處于相同的環(huán)�,這樣就可以通過這�(gè)參考FGB來檢�(cè)出溫�,�?gòu)膫鞲蠪GB總的波長(zhǎng)偏移量中除去參考FGB的溫度影�,就可以把溫度和應(yīng)變區(qū)分開�
(2)蝕刻FBG�
這種方法通過蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關(guān)�,這樣�(dāng)�(duì)其軸向施加均勻應(yīng)力時(shí),沿軸向的�(yīng)變也是呈線性關(guān)�,這樣就導(dǎo)致了惆啾,即反射帶寬的變化,而溫度對(duì)其影響只是使其中心波�(zhǎng)偏移,而不改變帶寬,也就是帶寬是溫度不敏感的,通過檢測(cè)帶寬的變化就可以把溫度效�(yīng)�(dǎo)致的誤差除去。但是這種方法的缺�(diǎn)是減小了光纖的強(qiáng)�,也即減小了傳感的范圍�
(3)雙波�(zhǎng)FBG�
這種方法的原理是通過在光纖的同一�(gè)位置寫入兩�(gè)波長(zhǎng)不同的FGB,然后檢測(cè)這兩�(gè)不同波長(zhǎng)的偏移量來分辨溫度和�(yīng)�。因?yàn)闇囟群蛻?yīng)變導(dǎo)致的布拉格波�(zhǎng)的偏移量由式
(4)FBG諧波�
FGB諧波法和上面的雙波長(zhǎng)FGB法原理是一樣的,只是這里用的是FGB的二次諧波而不是兩�(gè)波長(zhǎng)不同的FGB,�(dāng)FGB的反射率很高�(shí),折射率的�(diào)制有可能不是很好的正弦調(diào)�,從而導(dǎo)致了二次諧波的產(chǎn)�,而這兩�(gè)諧波的溫度和�(yīng)變靈敏度不同,通過矩陣法就可以同時(shí)檢測(cè)溫度和應(yīng)變�
(5)FBG和長(zhǎng)周期光纖光柵(LpG)混合檢測(cè)
通過�(shí)�(yàn)�(fā)�(xiàn),�(zhǎng)周期光纖光柵(LpG)的溫度和�(yīng)變靈敏度和FGB有著較大的差�,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和�(yīng)變靈敏度的話,就可以通過�(jié)合FBG和LGP�(shí)�(xiàn)溫度和應(yīng)變的分辨。這種方法的缺�(diǎn)�:�(zhǎng)周期光柵的帶寬大容易影響�(cè)量精度和�(fù)用能�;而且�(zhǎng)周期光柵的長(zhǎng)度較�(zhǎng),埋設(shè)�(jìn)材料后受非均勻應(yīng)變場(chǎng)的影響很�,從而降低測(cè)量精度�
除了以上凡種典型的應(yīng)變溫度分辨方法外,還有采用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實(shí)用的分辨技�(shù)還有待�(jìn)一步研��
維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��
已收錄詞�153979�(gè)