光纤光栅传感器原理内容详解

2022-05-16 07:52分类：传感器阅读：

　　在中国针对光纤光栅感应器的科学研究相比其他国家是晚些了，在我国的光纤传感器都还没保证真正意义上的产业发展，产业化，产出率还不能达到社会经济快速发展的要求。

　　光纤光栅的类型许多，关键分两类：一是Bragg光栅尺（也称之为反射面或短周期光栅尺）；二是散射光栅尺（也称之为长周期光栅尺）。光纤光栅从构造上可分成规律性构造和非周期性构造，从功能性上还可分成过滤型光栅尺和色散补偿型光栅尺，色散补偿型光栅尺是是非非周期时间光栅尺，又称之为啁啾光栅尺（chirp光栅尺）。

　　剖析光纤光栅调制解调的基础理论和常见调制解调方式的运行原理、特性和特性，从光纤传感技术性的优点考虑，详细介绍了光纤光栅感测器智能化构造的优势，对光波长调制解调方式如配对调制解调法、可自动调谐激光发生器法、干预法、过滤法等干了详尽的探讨，论述了相对的系统软件方案设计，并对各种各样办法的优、缺陷开展了剖析和探讨。明确提出光纤光栅感应器在具体运用中所面对的关键瓶颈问题，剖析目前的解决方法，探讨光纤光栅感应器在进一步产品化中必须处理的难点以及将来的发展趋向。

　　伴随着社会经济的发展趋势，在我国公共基础设施建设规划的经营规模持续增加，新创建的高楼大厦、路面、公路桥梁、堤坝基本上蓬勃发展。针对这种房屋建筑身体状况的感测器、测控技术变成一项关键课题研究。澳大利亚通讯核心的Hill K O等人到1978年初次在掺锗光纤线中选用驻波比载入法纪成光纤线Bragg光栅尺（ FBG）。促使光纤光栅感应器和传感器技术变成科研和科研开发的网络热点。

1 光纤光栅具备好多个突显关键优势：

　　1）光的频率量级为THz，其频段范畴很宽，采样率非常大，不会受到磁场影响;

　　2）数据信号选用光波长编号，不会受到灯源抗压强度的波动、光纤线微弯耗损造成的任意波动和藕合耗损等要素的危害，对自然环境影响不比较敏感；

　　3）光纤光栅的原料是二氧化硅，具备极强的抗腐蚀工作能力；

　　4）自校准和便于在同一根光纤线内集成化好几个感应器重复使用;芯径细且柔韧性，便于布置;

　　5）便于完成大规模分布式系统精确测量。因而，光纤光栅感应器具备促进光纤光栅感应器进到最前沿發展的发展潜力。

　　在我国对光纤光栅感应器的分析相对性晚一些，现阶段在我国的光纤传感器的产业发展和规模性应用推广层面还远无法符合社会经济快速发展的要求。因而，最近的光纤传感技术性分析和产业发展特性是以完善的光纤通信系统技术性向光纤传感技术性转变成为关键，现阶段对光纤光栅感应器的研究内容具体有下面一些层面：

　　1、对感应器自身及开展横着应变力传感和高灵敏、高像素、且能与此同时传感应变力和气温改变的控制器科学研究；

　　2、对光栅尺反射面数据信号或散射数字信号处理和检测体系的科学研究，总体目标是开发设计成本低、微型化、靠谱且敏感的检测技术性；

　　3、对光纤光栅感应器的具体应用研究，包含封裝技术性、温度补偿技术性、无线传感器技术性。

　　4，进行各行业应用的系统化成套设备传感器技术的产品研发，如航天航空、远洋航行、建筑专业、医药学和微生物、电力行业、中国核工业及有机化学和自然环境等。

　　现阶段限定光纤光栅感应器使用的最关键阻碍是感测器讯号的调制解调，已经分析的调制解调方式许多，但可以具体使用的调制解调商品并不是很多，且价位较高。光纤光栅的数据信号调制解调，即光波长细微挪动的检验难题，是光纤光栅感应器能不能产品化的重要。

　　2 光纤光栅感测器基本原理

　　溫度、应变力和内应力的变动会造成光纤光栅的栅距和折光率的转变，进而使光纤光栅的折射和散射谱产生变化。根据检验光纤光栅反射面谱或散射谱的转变，就可以得到对应的溫度、应变力和工作压力信息内容，这就是用光纤光栅测量温度、应变力和工作压力的基本概念。由藕合模基础理论得知，匀称的、非闪亮光纤线Bragg光栅尺可将其传送的一个导模藕合到另一个沿相反的方位传送的导模而产生捷变反射面，最高值反射面光波长为（Bragg光波长）：式中为导模的合理折光率，为光栅尺周期时间。光纤光栅的Bragg光波长是率真随和而变动的，因而Bragg光波长针对外部力、耗热量等极其比较敏感。应变力和工作压力危害Bragg光波长是因为光栅尺周期时间的伸缩式及其弹光效用造成的，而溫度危害Bragg光波长是因为热变形效用和热光效用造成的。当外部的溫度、地应力和工作压力等参数产生变化时，Bragg光波长的转变可表达为。

　　2.1溫度敏感度

　　溫度危害Bragg光波长是由热变形效用和热光效用造成的。假定匀称工作压力场和径向应力场维持稳定，由热变形效用造成的光栅尺周期时间改变为。

　　式中为光纤线的线膨胀系数。Bragg光波长的变动与溫度中间的转变有优良的线性相关。

　　2.2 应变力（力）敏感度

　　应变力（力）危害Bragg光波长是因为光栅尺周期时间的收放和弹光效用造成的。

　　假定光纤光栅仅受径向压力功效，温度梯度和均衡工作压力场维持稳定。径向地应力造成光栅尺的栅距更改，即：

　　由应变力造成的Bragg光波长转变可表达为。

　　2.3 工作压力敏感度

　　工作压力危害也是由光栅尺周期时间的收放和弹光效用造成的。假定温度梯度和径向抗拉力维持稳定，光纤线处在一个匀称工作压力场P中，径向应变力会使光栅尺的栅距更改，即：

　　合理折光率的变动为：

　　其工作压力敏感度为：

　　因为夹杂成份和夹杂浓度值的不一样，各种各样光纤光栅的工作压力敏感度区别很大。

　　3 调制解调基本原理

　　3.1 配对光栅尺调制解调基本原理

　　运用一个与感测器光栅尺呈配对关联的参照光栅尺，完成参照光栅尺对感测器光栅尺数据信号的调制解调法如图所示一所显示。輸出讯号的位相是与被精确测量成百分比的载波通信。为了更好地测到感测器光栅尺的数据信号，精确测量时自动调谐参照光栅尺，根据精确测量较大反射面输出功率或最少散射输出功率便可测到感测器光栅尺的光波长挪动量，从而看做待精确测量。该感测器方式构造简易、工程造价便宜，检测結果不会受到灯源谱线线性很有可能出现的精细结构累加的危害。其静态数据径向应变力屏幕分辨率约为

　　图一配对光栅尺法调制解调电路原理图

　　3.2 非均衡M-Z干预调制解调法

　　相关调制解调法具备最大精密度，用这个方式调制解调能够进一步提高感测器屏幕分辨率。1992年，由A.D.Kersey等提到的非均衡M-Z干预调制解调法，如图所示二所显示：

　　图二非均衡M-Z干涉仪调制解调FBG光波长电路原理图

　　宽带光源传出的光历经光纤耦合器出射到感测器光栅尺上，被反射面后送进非均衡M-Z干涉仪，根据干涉仪把Bragg光波长飘移量转换为相位差转变式中n为光纤线的折光率，d为干涉仪的双臂长短差。由上式由此可见，只需用相位差计检测出相位差的转变，便可获知光波长的运动量，此外，为了更好地相抵直流电零点漂移，能够运用一锯齿状型工作电压（由图上的信号源造成）操纵压电陶瓷片，以调整干涉仪的一个臂，使干涉仪輸出为一调配光，以信号源为参照用相位差计检验输入输出讯号的相位差，因相位差计可检验±1800，故光波长可检验范畴宽。

　　试验说明，此方法具备小于纳级相对性应变力的感测器屏幕分辨率，当所检查的应变力振源頻率为10HZ时，屏幕分辨率为2n/ ，振源頻率为500Hz时，屏幕分辨率为0.6n。

　　此方法具备宽带网络宽、屏幕分辨率高优势，但其任意相位的干扰决策了该计划方案只有适用于动态性调制解调系统软件中。

　　3.3 根据迈克耳逊干涉仪的调制解调法

　　迈克耳逊干预调制解调基本原理如图所示三所显示：

　　图三迈克耳逊干涉仪调制解调电路原理图

　　宽带光源传出的光由光纤耦合器进到感测器光栅尺，经其反射面后进到由两镜面玻璃及光纤线组成的迈克耳逊干涉仪，由3dB光纤耦合器一端輸出干预光，再经光电转换、变大、过滤处置后的数据信号（干预数据信号）与频率计的数据信号（参照数据信号）一起进到相位差计检验其相位差，调节推动数据信号（由图上频率计传出的）的幅度值以及直流电源平的尺寸，使干预数据信号改变的次数与参照讯号的頻率一致，这时相位差计所表明值与感测器光栅尺的光波长挪动量展现一定的关联。光波长转变导致的相位差更改可表达为