2008年 第5期
仪表技术与传感器
Instrum ent T echn i que and Sensor 2008 N o 5
基金项目:浙江省自然科学基金(X106872)
收稿日期:2007-07-19 收修改稿日期:2007-12-11
光纤光栅传感系统数据采集与处理技术
王晓东,王真之,叶庆卫,周 宇
(宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波 315211)
摘要:在光纤光栅传感系统中,运用多通道智能光纤光栅解调器采集传感信号,并采用TCP /IP 协议采集光纤光栅解调器各通道的光谱数据,经过峰值检测和温度补偿后,根据传感器的标定数据换算出对应各监测点的物理量,较好地实现了光纤光栅传感系统的数据采集与处理。并在光纤光栅反射波形的峰值检测技术中引进了指数平移钝化算法替代计算复杂度较高的高斯拟合算法,能有效地减少各种干扰因素引起的峰值波长抖动。关键词:光纤光栅传感器;数据采集;数据处理;峰值检测
中图分类号:TP212;T P274 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2008)05-0047-02
Techni ques of Data A cquisition and Processi ng i n F i ber G rati ng Sensi ng Syste m
W ANG X i ao dong ,W ANG Zhen zh,i YE Q ing w e,i ZHOU Y u
(Facu lty of I n for m ation Sc i ence and E ngi n eer i ng ,N i ngbo Un i versity ,N ingbo 315211,Ch ina)
Abstract :T echn i ques of data acquisiti on and process i ng i n fibe r g ra ti ng sensi ng sy stem were i m ple m ented by usi ng a m ulti channe l i nte lli gent opti ca l sensing i n terrogato r for sensory signa ls acqu isiti on ,w hich can ga t her spectra da ta o f each channel v i a T CP /IP pro toco ls .A fter detecting peak and compensati ng te m perature ,it can convert its cali brati on data into physical v al ue for each sensor .In peak detection techno l ogy o f fi ber grati ng reflecti on w avefor m,the pape r i n troduced i n t o the exponen ti a lw e i ghted m ov i ng average ar it h m e tic t o i nstead of G auss i an fitti ng a rith m etic that had h i ghe r co m putationa l co m plex ity ,it can reduce effi
ciently the jitter o f peak w ave l eng t h t hat caused by var i ous i nterfe rence factors .K ey word s :fi ber g ra ti ng senso rs ;data acqu i sition ;data processi ng ;peak detecti on 0 引言
目前,应用光纤光栅传感器的最主要障碍是传感信号的解调[1],理论上研究的解调方法很多,但能够实际应用的解调产品并不多,而且价格较高;由于光源带宽有限、应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠,因此可复用光栅的数目受到限制;同时,还需要解决在复合材料中同时测量多轴向的应变,在复杂环境中识别各种环境因素引起的波长变化并且进行合理的补偿等问题。
在光纤光栅传感器的应用中,使用了s m 125智能光纤光栅解调器,该设备具有标准以太网接口和无线局域网接口,监控系统的采集客户端电脑通过TCP 协议利用Socket 接口采集各通道的光谱数据,根据各反射峰的位置偏移,结合标定数据换算出对应各监控点的物理量,再传输给监控中心服务器,可以实现基于光纤光栅传感器的远程监控。1 光纤光栅传感器典型应用系统
基于光纤光栅传感器和光纤光栅调制解调仪进行数据采集处理的监测系统如图1所示。首先在需要监测的部位布设好相应的压力、应变或气体传感器及对应的温度补偿传感器,将这些传感器通过光纤与智能光纤光栅解调仪相连,其每个通道内的传感器波段不能重叠。监控采集客户端可使用一般的工控电脑,通过Socket 接口和智能光纤光栅解调仪通信并进行
图1 典型远程监测应用系统
传感数据的采集
[2]
。
在监控采集客户端电脑上配置各传感器的类型、标定波长等配置参数,对于不同的传感器,根据类型不同调用不同的数据处理模块。为了标识所布设的各种传感器,监控系统按光纤光栅调制解调仪、采集通道号和传感器波段三级进行编号,针对每个传感器还需要配置传感器类型、温度补偿传感器编号、标定波长值和计算参数等数据。监控采集客户端电脑可定时采集智能光纤光栅调制解调仪各通道的数据,然后再进行峰值监测[3]、偏移计算、温度补偿[4]和物理量换算等工作。
然后,在记录采集日志或存储采集到的原始数据的同时,将得到的监控数据存入1个发送缓存队列,通过发送调度定时将其通过通信网络发送到监控中心服务器。在有线网络可以到达的监控点,可以使用有线宽带接入进行数据传输,在有线网络无法到达的地区,可以采用CDM A 或GPRS 移动信道进行数据传输。中央服务器的接收模块收到监控数据后,根据监控点编号更新传感器的状态和数值、追加历史记录,并根据预设的阈值信息进行阈值报警,任何接入互联网的监控客户端即可在服务器上观测各监控点的情况。
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Instru m ent T echn i que and Sensor
M ay 2008
2 光纤光栅调制解调器数据采集
系统选用的M O I-s m125智能光纤光栅解调器是基于光纤法-珀滤波器技术设计,配置4个通道,热稳定性及长期稳定性好。作为全光谱测量设备,M O I-s m125具有很大的动态范围,其动态范围仅受限于接收器的灵敏度,在1H z 的扫描速率下引起的噪声基底大约为60dB m .M O I-s m125使用1个内置的大功率扫描激光光源,包含了绝对波长参考,不需要外部波长校准,提高了测量的精准性,而内置的蓄电池为解调器供电,使解调器在无源或者环境恶劣的情况下也能正常工作。
在MO I-s m125智能光纤光栅解调仪板中,内置了峰值探测算法,为了优化光谱的中心波长测量算法,假定了一定程度的对称和对比。对于典型的光纤布拉格光栅FBG (F i ber B ragg G ra ting)、洛伦兹型的FP 峰和大多数的激光图形生成法LPG (L aser P i c t ure G enerati on)轮廓,利用该峰值探测算法,能得到理想的对称和明确的谱形。这种峰值探测算法的理想传感器光谱应有0 05~2 0n m 的3dB 带宽,每个形状的中心波长要有至少3~5dB 的对称反差。为了实现更通用的峰值探测,以适应各种光谱形状的传感器,也可以不采用板载峰值探测算法,而从智能光纤光栅解调仪中把各通道的光谱数据全部取出在采集客户端进行处理。
M O I-s m 125智能光纤光栅解调仪提供以太网接口,采集客户端可以通过Socke t 接口向其发送#G ETDATA 指令,采集各通道的光谱数据。MO I-s m 125对所有指令均先返回10个字节以表示后续的数据长度,而通过#G ETDATA 返回的数据中前20个字节是头部结构,其中定义了通道的个数DU T,紧接着会返回1~4个通道的全波长数值,根据最小波长和波长步进值可计算出各通道每个采样点的波长值,如图2所示。系统中有3个通道、7个传感器,在图中可以看出各传感器所在的波长点
均有明显的反射峰。
图2 智能光纤光栅解调仪采集的光谱数据
3 光纤光栅传感数据分析处理
采集客户端在得到如图2所示的各通道的光谱数据后,需要在各传感器所在的通道和波段进行扫描,识别出各传感器的反射峰值后换算出各传感器的物理量。
系统根据配置参数中各传感器的标定波长和当前峰值可计算出波长偏移值,再根据传感器的类型换算为实际物理量。以温度传感器为例,当中心波长变化不大时,导致的波长变化
约为10p m / 左右。不同光纤光栅的传感灵敏度会有差异,必须经过标定才能用故实际测量。计算方法如下:
T =
T - 0
k T
+T 0
式中: 0,T 0和k T 为标定值; T 为测量得到的实际峰值波长。
但是,压力、应变、特种气体溶度等物理量又与温度有关。以应变[5]为例,当温度恒定时,一旦应变灵敏度系数确定,可以方便地通过波长变化获得实际的应变值;而当温度变化时,必须对应变传感进行温度补偿,即将一根布拉格光栅布设于监测点,另一根布设于与被测材料一样、温度场一致且不受力的构件上,即保证两者发生同样的温度效应。计算方法如下:
=
( - 0)-3!( T - 0)
k
式中: 0和k 为标定值; 0和 T 由补偿温度传感器决定; 为测量得到的实际峰值波长。
系统采用的光纤光栅传感器应变灵敏度系数为1 2p m / ,温度灵敏度系数为0 01n m / .
数据的分析处理流程如图3所示。
图3 数据分析处理流程示意图
峰值识别的最佳方法是高斯拟合算法,但该算法需要较多的计算资源,如果改用简单的最高峰值识别方法得到的中心波长常常存在较大的抖动。在实际应用中,发现对温度等采集频度较高、实际变化幅度不大的物理量进行监测时,可以使用指数平移钝化算法有效地减少各种干扰因素引起的抖动,计算方法如下:
?p =(1-!) ?p +!
p 式中: p 为当前实测峰值; ?p 为钝化后的峰值;!为钝化系数。钝化系数可根据实际情况取值,一般可取0 125。
图4为某天11:19~15:39采集的1组26个温度传感数据,采集间隔为10m i n .在分别采用了3种算法计算得到反射波长并换算成温度值后,可以看到钝化算法和高斯拟合算法的效果非常接近。由于温度数据常常要用作补偿依据,因此钝化算法对提高传感系统的整体准确性和稳定性有很大的作用。4 结束语
光纤光栅传感器可用于桥梁、隧道、煤矿、油井、水库大坝和高速公路等大型建筑的监控系统中,光纤光(下转第51页)
第5期
胡宝玲等:基于GPR S 的远程高精密测温系统
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入错误时,视为非法指令,返回ERROR.2 3 后台管理软件
以Bor l and C ++Bu ilde r [5]为开发平台,M icrosoft A ccess 为后端数据库,数据库连接采用当今流行的ADO 技术;集成RS-232、USB 、以太网接口,实现与下位机的通信;集成了数据采集与处理、动态数据库、数据实时与历史显示、数据记录管理,报表,EXCEL 数据导出等功能。其功能框图见图5
。
图5 后台管理软件功能框图
3 结束语
实践证明:该远程测温系统的测量精度高,可达#0 01 ,具有很强的实用参考价值。同时,该系统硬件成本低,组网灵活,运行安全可靠,抗干扰能力强,应用前景十分广阔。参考文献:
[1] 马潮.高档8位单片机At m ega128原理与开发应用指南.北京:北
京航空航天大学出版社,2004.
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[5] 曾棕根.C ++Bu il d er 数据库开发实用教程.北京:清华大学出版
社,2006.
作者简介:胡宝玲(1976?),工程师,硕士研究生,主要研究方向为嵌入
式系统。E -m ai:l hub aoli ng @126.co m
(上接第39页)
2.4 Z igBee 基站节点的软件设计
基站的软件设计包括协议栈设计(Z Stack Z i
议软件开发工具)、硬件驱动设计和嵌入式系统T 设计。
2.5 上位机的软件设计
上位PC 机作为控制中心必须具备网络唤醒、数路由维护功能,C++Bu il der 、D e l ph i 和微软的V i sua l 是可选的快速开发工具。该系统上层软件功能由D e l 现。 3 结束语
Z igBee 技术作为一种短距离、低复杂度、低据速率、低成本的无线网络技术,有效地弥补了低成功耗和低速率无线通信市场的空缺。而ARM 7系列处理有功耗低、处理速度快、集成度高等特点,而且地可以扩展大容量的存储器,对于需要大量内存、外存以数据吞吐率和处理能力的Z i gB ee 基站节点,因此,随着技术的进一步发展,采用ARM 7和Z i gBee 技实现短距离低速率无线数据通信将是很理想的应用方案展趋势。参考文献:
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[4] 黄双华,赵志宏,郭志,等.ZigBee 无线传感器网络路现.电子测量技术,2007,30(2):59-61,64.
作者简介:吴呈瑜(1982?),硕士生,研究方向为嵌入式系线通信技术。E -m ai:l alley_515@163.co m
页)
图4 峰值识别算法效果对比示意图
采集、处理和分析的一系列步骤,可进行气体溶度和温度等物理量的监测。在峰值检据处理的复杂度,提高了系统的,这些技术已经在多个监控系统中经过近,效果显著。印新达.光纤光栅传感器的解调与复用技术.光通信研
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肖立志,张元中,等.基于单片机实现FBG 传感器的数据
,2006,27(z 1):122-124.
刘波,李维祥,等.谱图曲线中高斯峰的分离算法与计算
南开大学学报,2004,37(4):115-117.
M,S I M ONE P .A te m perature co m pensated rotati on alpos i
b ased on fi b er B ragg grati ngs .Sensors and A ctuat ors A:l 2006,132(2):533-540.ATI M T,PATTNA I K P K,SELVARAJ AN A,et a.l A t o d iscri m i nate strain and t e m perat u re i n fi ber b ragg grati ng In Proceedi ngs SICon /05 Sensors f or Indu stry Con ference ,T exas ,USA,2005.
(1970?),硕士,讲师,主要研究方向为网络通信,计
算机软件。E -m ai:l w angx i aodong @nbu https://www.doczj.com/doc/d211985177.html,
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
光纤光栅传感系统的详细介绍 本文介绍了光纤光栅传感系统的构成，分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED，LD和掺铒光源的性能，阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法，描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术，最后，提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对
“现代传感与检测技术”课程学习汇报 光纤光栅传感器及其在医学上的应用 学院：机电学院 专业：仪器科学与技术 教师：刘增华 学号： S201201134 姓名：王锦 2013年03月
目录 第一章光纤光栅简介 (3) 1.1 光纤的基本概念 (3) 1.2 光纤光栅器件的基本概念 (3) 1.3 光纤光栅的加工工艺 (4) 1.4 光纤光栅的类型 (5) 第二章光纤光栅传感器 (7) 2.1光纤光栅温度传感器 (7) 2.2 光纤光栅应变与位移传感器以及振动与加速度传感器 (8) 第三章光纤光栅传感器的应用 (10) 3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用 (10) 3.2光纤光栅传感器在医学中的应用 (10) 3.3 光纤光栅在其他领域的应用 (11) 第四章总结 (12) 参考文献 (12)
第一章光纤光栅简介 1.1 光纤的基本概念 光纤的结构十分简单。光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，折射率的差异引起全内反射，引导光线在纤芯内传播。 光纤纤芯和包层的尺寸根据不同的用途，有多中类型。如传输图像的光纤要尽可能地收集到起端面上的光，因此其包层相对于纤芯而言非常薄。长距离传输过程中，通信光纤的厚半层能避免光束泄露出纤芯。然而，短距离通信光纤的纤芯较大，能够尽可能地手机光，一般称为多模光纤，长距离通信光纤的纤芯直径 一边比较小，一般只能传输一个模式，因此成为单模光纤。 光纤具有机械特性和光学特性。在机械方面光纤坚硬而又灵活，机械强度大。光纤的光学特性取决于他们的结构与成分。一般轴对称的单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式或者两个圆偏振正交模式。这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在其传播过程中偏振态不会发生变化。 1.2 光纤光栅器件的基本概念 加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光线的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。光纤光栅是近几年发展最快夫人光纤无源器件之一，他的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。由于它具有在管线通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领域均具有广阔的应用前景。 光纤光栅是利用光线材料的光敏性（外界入射光子和纤芯锗离子相互作用in 器折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或者反射）滤波或者反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，例如利用光纤光栅的窄带高反射特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质可制成光纤激光器；利用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成课调谐激光二极管；利用光纤光栅课构成Michelson干涉仪型Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Peort干涉仪型的光纤色散补偿器。利用闪耀光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅还可以制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网。
光纤光栅传感系统的现状及发展趋势 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1 光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1．1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（4×10-4／℃）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要
光纤光栅传感技术的特点 桥梁结构长期在线健康监测需要测试多种参数，包括结构参数和环境参数，桥梁结构的裂纹乃至破坏的主要表象就是应力过大、变形过大。应力测试在桥梁结构的长期健康监测中至关重要，就桥梁应力测试而言：①传统的电阻应变片传感元件的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的；但其受环境影响较大，由于温漂和零漂的影响，长期应变测试的结果会严重失真。②在混凝土内部应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦蠕变的原因，国产钢弦式应变传感器的正常使用期为3年左右。③由于机电类传感器的长期稳定性不好，桥梁结构的长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在光纤传感器上。 光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。早期的光纤传感器绝大部分是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量器件老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，它要求干涉条纹清晰；而清晰的干涉条纹来源于两路干涉光的光强相等，这使得光纤光路的灵活和连接的方便等优点大打折扣。同时由于它是一个过程传感器，并非状态传感器，要求有一个固定的参考点，也给工程应用带来了难度。因此这两类传感器在实际的工程应用中，由于安装要求高、环境影响大而受到很大的限制。 目前，应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅(FBG)传感器，它不仅具有普
光纤光栅传感器的应用及发展 光纤光栅自从问世以来，就以其优良特性成为传感领域的新亮点。简要回顾了光纤光栅的 发展历史，介绍了光纤光栅的分类，着重论述了光纤光栅传感器的应用情况，分析了光纤光栅 传感器的未来发展趋势及面临的问题。 光纤光栅的分类： 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件。根据物理机制的不同，可将光纤 光栅分为蚀刻光栅和折射率调制的相位光栅两类。前者在成栅过程中使光纤的结构出现明显的物理刻痕， 后者主要使纤芯折射率呈周期性分布。目前，无论是发还是工程实用，后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅 指的是后者。根据光敏机制的不同，又可将光纤光栅分为I型、Ⅱ型和Ⅲ型. I型先纤光栅 连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为I型光栅 Ⅱ型光纤光栅 采用单脉冲成栅时发现，不断提高脉冲能量存在一个取决于光纤中锗浓度的阈值(～1J／cm)，低于该 阈值时形成的光栅均为I型光栅，而高于该阈值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近100％，将 此时的光栅称为Ⅱ型光栅。Ⅲ型光纤光栅区别于I型光栅的是，随着曝光量的增加，折射率呈负增长趋势，显然也不属于Ⅱ型光栅，因此称之为Ⅲ型光栅。根据折射率变化是否均匀，可以将其分为均匀光纤光 栅和非均匀光纤光栅两类。 1)均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有光纤布喇格光栅(rBG)、长周期光纤光栅(LPG)闪烁光纤光栅刮等. 2)非均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅和非均匀特种光纤光栅等。 光纤光栅传感器的应用与发展： 1978年，加拿大的Hill等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光的效应J，制成了世界上第一只被称为“Hill光栅”的光纤光栅。1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术，为光纤光栅实用化开辟了一条可行的道路。1993年，Hill等人提出了相位掩模写人技术，极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能。此后，世界各国迅速开展了对光纤光栅及其应用的研究。光纤光栅的写入技术及光纤光敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高和完善。而光纤光栅独有的抗电磁干扰、高灵敏度和复用技术等优势也逐渐显现出来。自从1989年美国的Morey等人首次报导光纤光栅用于传感以来，光纤光栅传感技术引起了人们极大的兴趣并得到飞速发展，被广泛用于温度、应变、压力、加速度、超声波、振动、电磁场和折射率等多种物理量的测量，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。目前，FBG为传感器件的传感器成为研发主流，以LPG和啁啾光纤光栅CFG)为传感器件的传感器的研究同样引起人们的兴趣。在土木工程中，对于桥梁大坝、隧道矿井和大型建筑物等来说，其结构会随着时间的推移或者外界环境的改变而变化。因此，需要通过测量结构的应变分布和局部载荷状态来确保其结构健康并安全运行。光纤光栅传感器尺寸小，既可以贴在现存工程结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中。多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式实时监测。1993年，加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥首先采用了光纤光栅进行应力测量，并用此方法长期监测桥梁结构。此后，国外发达国家也都选用光纤光栅传感器作为桥梁长期安全监测的首选技术。1999年，美国新墨西哥Las Cruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器数量最多的纪录。在我国，近几年来，随着国家对安全生产问题的高度重视，大型建筑物安全监测与预警的意义和作用也逐步受到人们的重视。武汉理工大学将光纤光栅传感器引入桥梁长期安全监测预警系统中，解决了传统电测手段无法长期稳定监测的问题，并应用于武汉阳逻长江大桥、武汉长江二桥等十余座大型桥梁的长期安全监测，取得了非常好的效果。哈尔滨工业大学采用光纤光栅传感器完成了lO余项重大工程的健康监测。此外，南开大学与上海紫珊光电技术有限公司合作，在世博场馆大空间结构安全保障关键技术项目中采用光纤光栅传感器进行健康监测J。这些领域开展的实验测试和实际应用为我国桥梁大坝、隧道矿井及大型建筑物的长期安全监测与预警提供了典范。先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造高速航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，可以在飞行器或舰船运行过程中进行实时健康监测和损伤探测J。自从光纤光栅传感器于1990年次埋人环氧树脂复合材料以及1992年首次埋人混凝土中以来，光纤光栅在航空航天复合材料／结构的健康监测中开始试用。将光纤光栅粘贴于航空航天飞行器(如机身、机翼蒙皮)及发射塔表面或者埋人其内部，可构成分布式智能传感网络，实时监测飞行器及发塔的应力、应变、温度及其结构内部损伤等健康状况. 根据测结果，由驱动元件对结构状态进行相
光纤光栅传感技术的发展及应用 单嵩 北京工业大学应用数理学院 000612班 指导教师：王丽 摘要本文综述了当前国内外对光纤光栅传感器的研究历史和现状，论述了光纤光栅传感器的工作原理，介绍了传感器在响应压力方面的研究，并讨论了光纤光栅传感器所面临的问题。 关键词光纤，光栅，传感器 一、引言 光纤通信技术在过去二十年里有了惊人的发展，它的出现，使得全球电信网络上的传输需求以指数速率增长。而新一代光纤技术——光纤光栅将在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纤非线性光学性质时偶尔地制成了最初的光纤光栅并发现掺锗石英光纤紫外光敏特性。所谓光敏性是指光纤材料在一定波长的强光照射下，其折射率会发生永久变化。而折射率沿光纤按一定规律变化就可形成各种光纤光栅。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了侧面写入的光纤光栅，使得制作各种波长的光纤光栅成为可能。光纤光栅作为一种全光器件，其主要优点是低损耗、易于与其他光纤耦合、偏振不敏感，温度系数低、容易封装。根据光纤周期的不同，光纤光栅可以被分为短周期光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）。短周期光栅又称为Bragg光栅，它的周期尺寸可以与工作波长相比拟，一般约为0.5μm 。Bragg光栅可以有很多种应用，从滤波器、光分插复用器到色散补偿器。长周期光栅又称为传输光栅，它的周期要比工作波长大得多，从几百微米直到几个豪米。长周期光纤光栅的工作原理与Bragg光栅有所不同。在光纤Bragg光栅中，对于适当的波长，纤芯中前向传播模式的能量会被耦合进入后向传播模式中。而在长周期光栅中，纤芯中前向传播模式的能量将会被耦合到包层中前向传播的其它模式中。这些包层中的模式都是极高损耗的，随着它们沿光纤的传播，其能量迅速衰减。目前长周期光栅主要被用作滤波器及在掺铒光纤放大器中补偿不平坦的增益谱。 目前，围绕光纤光栅技术的研究主要分为二个方向: 一是光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究；二是关于光纤光栅应用技术的研究，由于光纤光栅本质上是一个带阻滤波器，因此在光纤通信和光纤传感方面应用广泛。光纤传感是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接受，可方便地进行光电或电光转换。光纤工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线和优良的敏感元件。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，成为传感技术的先导，在某些重要领域，如惯性导航、军用告警、智能材料结构、测试与控制、机器人及信息处理等方面得到了广泛的应用。 二、光纤光栅传感技术原理 1、光纤Bragg 光栅的应变响应机理
天津理工大学2004届毕业设计 第一章绪论 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作 用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。作为一种新型的光学器件，光纤光栅已 经在诸多方面得到了不同的应用。相信在不久的将来随着光纤光栅与其他技术的进一步结合，其可应用前景会更为广阔。 1.1光纤光栅的发展历史 光纤技术自20 世纪60 年代末至今在不到30 年的时间里以惊人的速度发展成为信息技 术领域中的支柱性高新技术。然而, 随着现代社会对信息技术的更新更高的要求, 光纤通信、光纤传感技术正面临着新的挑战。传统光学器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求。因此光纤光栅应运而生。 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接写在光纤中形成的光纤波导器件。该技术最早出现于1978年，加拿大的K.O.Hill在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次发现了在掺锗光纤中的光致光栅现象，并制造出世界上第一条光纤光栅。从此开创了光纤光栅发展的历史。这种方法制作的Bragg光纤光栅反射滤波器的线宽可以很窄，反射率也较高，但只能制作反射波长和写入波相同的光纤反射器，通过加外力的方法使光栅的调谐范围较小，大大限制了他的应用。此后由于制作工艺及应用的局限这项技术一直未得到进一步的发展，历经十年进展缓慢。 直到1989年，美国的Meltz等人利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入了光栅，研制成功Bragg光纤光栅滤波器。Archambult等人也报道了用单个准分子激光器制作近100% 反射率的Bragg光纤光栅滤波器的方法。这标志着光纤光栅技术进入了快速发展的阶段。此后随着写入方法的不断改善；光敏性的逐渐提高；各种特种光栅也相继问世；同时光纤光栅的应用前景也得到了广泛的关注。特别是近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到人们的重视，取得了令人瞩目的成就。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化, 专家们预言, 从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想, 可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器(EDFA ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。 光纤光栅在应用上的一个重大突破就是使各种光学器件的全光纤化和集成化成为可能。诸如光纤光栅激光器、光纤光栅滤波器、分接头、波分复用器及解复器等器件的研究 都取得了相当快的进展。光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域。尤其是它易于集成的特性，使得全光 纤一维光子器件集成成为可能。此外, 作为信息摄取的光纤光栅传感器及其应用——即3S 1
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105 Published Online September 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/d211985177.html,/journal/oe https://https://www.doczj.com/doc/d211985177.html,/10.12677/oe.2018.83014 Development in Fiber Bragg Grating Sensing Technology Shanchao Jiang School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018 Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology. Keywords FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology 光纤光栅传感技术发展综述 蒋善超 盐城工学院电气工程学院，江苏盐城 收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日 摘要 为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。 关键词 光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术
光纤光栅传感器的封装技术
摘要 光纤布拉格光栅传感器是一种新型的光纤传感器，它利用的是布拉格波长对温度、应变敏感的原理.及传统的电学传感器相比,它还具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、复用性强等优点。正因为这些独特的优点，光纤布拉格光栅越来越多的被应用到大型结构、电力、安防、石化、医学、矿井、军事等领域，其中，最引人瞩目的是光纤光栅温度传感器在长距离测温系统中的应用。随着中国物联网发展战略的实施，光纤传感领域的研究和产业化面临着巨大的机遇和挑战。 本文综述了光纤光栅温度传感器的传感原理,光纤光栅传感器封装技术分类，分为保护性封装，敏化封装，以及补偿性封装，列举了三个封装技术的实例，对他们的封装结构,封装中的技术工艺,以及封装后的一些参数进行了介绍。
目录 1、绪论 (44) 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 (44) 2、光纤光栅传感原理 (55) 2.1光纤光栅传感器的结构和原理 (55) 2.2光纤光栅传感技术的类型简介 (66) 3.光纤光栅传感器封装技术分类 (77) 3.1保护性封装 (77) 3.2 敏化封装 (88) 3.3补偿性封装 (88) 4.封装技术实例 (99) 4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装 (99) 4.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装 (1212) 4.3镀铜光纤光栅的全金属封装 (1313) 参考文献 (1616)
1、绪论 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 光纤光栅是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后，使纤芯折射率沿轴向，呈现周期性规律分布的物理结构，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)光滤波器或反射镜。通过人为改变光纤光栅结构的分布，我们可以主动控制光在光纤中的传播行为，光纤光栅结构的多样化可以使其光谱响应特显得非常丰富.同时，光纤光栅具有结构简单、器件微型化、带宽范围广、耦合性好、附加损耗小、可及其他光纤器件融成一体等特点,除此之外光纤本身具有轻质、电绝缘、柔韧、抗电磁干扰、径细、化学稳定等优点，使得光纤光栅在光纤传感、全光通信、光信息处理等领域具有巨大的应用前景。 光纤光栅传感器是以布拉格条件为基础，以光纤光栅为载体,发展起来的一种本征波长调制型传感器。光纤光栅传感器是利用透射或反射谱波长峰值的变化，进而实现对物理量的测量.透射（反射）谱波长及光栅纤芯的有效折射率及折射率调制周期密切相关。当外界应变及温度发生变化时,光纤光栅的纤芯折射率及折射率调制周期就随之变化，然后影响光纤光栅的透射（反射)谱峰值波长的移动，通过测量Bragg峰值波长的移动量，实现对外界物理量变化的测量,上述即是光纤光栅传感器的基本工作原理。光纤光栅传感器可以实现对应变、温度、压力、电流、振动等基本物理量测量。 利用光纤光栅进行传感，需要适当的封装技术，增加其敏感度，以利于检测解调。在某些情况下，我们不希望温度仁或应变、压力）对布拉格波长产生影响,就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度仁或应变、压力）的灵敏度.这两种技术统称敏化技术。目前，一些敏化技术已经在实际中得到应用，但还有相当一部分停留在实验室阶段。 利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。温度和应变都能引起布拉格波长的漂移，从单一的波长漂移量，我们无法区分其中哪些是温度变化引起的，哪些是应变引起的。这给我们出了很大的难题。要实现光纤光栅传感器的实用化，就必须采用各种封装技术,或者剔除温度的影响，或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。 光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中,但由于光纤纤细柔软，容易被损坏，因此需要采用一些封装方法,保护光栅. 在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要,封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用,对光纤光栅封装技术进行研究,设计更好的封装结构和工艺尤为重要.
光纤光栅传感器的基本原理及实际应用 一、前言 1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。1989年，美国联合技术研究中心的G.Meltz等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后的又一重大技术突破。 光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。 在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃-600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、
第28卷 第8期 2006年8月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNI VERSITY OF TECHNOLOGY Vol.28 No.8 Aug.2006 新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力 刘胜春,姜德生,李 盛 (武汉理工大学光纤传感技术研究中心,武汉430070) 摘 要: 介绍了一种新型的基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统,并与传统的基于压电式加速度传感器的索力测试系统进行了对比试验研究。结果表明,二者的测试精度相差不大,由于压电式加速度传感器的固有缺陷无法实现索力的远程监测,只适用于索力的定期监测;而基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统能够对索力进行实时监测。 关键词: 斜拉桥; 索力测试; 传感器; 光纤光栅 中图分类号: TH 74文献标志码: A 文章编号:167124431(2006)0820110203 Application of Optic Fiber Grating Vibration Sensor to Cable Tension Measuring of Cable 2stayed Bridges LI U Sheng 2chun,JIANG De 2sheng ,LI Sheng (F iber Optical Sensing Technology Research Center ,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China) Abstract: A new cable tension measuring system based on optic fiber grating vibration sensor is introduced.For testing its performance,we made a exper iment in which two cable tensions measuring system,the forenamed one and t he ot her one based on piezoelectr icity accelerometer,were both used to measure the tension of a stayed cable as the same time.The result showed that t he precision of the two methods had little discrepancy.On account of the inherent limitation of the inherent limitation of the piezoelectr icit y accelerometer,t he system based on piezoelectricity accelerometer usually applies to the inspect of the cable tension,but the system based on optic fiber grating vibr at ion sensor can apply to the real time monitoring of the cable tension as well. Key wor ds: cable 2stayed bridges; cable tension measuring; fiber Br agg grating; vibration sensor 收稿日期:2006203211. 基金项目:国家自然科学基金(50179029). 作者简介:刘胜春(19732),博士生,讲师.E 2mail:liusc@https://www.doczj.com/doc/d211985177.html, 斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分,斜拉桥桥跨结构的重量和桥上的活载绝大部分或全部都通过斜拉索传递到塔柱上,索力是衡量斜拉桥健康状态的重要参数之一。因此,若能在线实时监测斜拉所的索力,不仅能为斜拉桥系统的维护、保养提供可靠的依据,而且可以及时处理可能出现的故障,避免事故的发生,同时还可以积累有用的参考依据。 在工程实践中,频率法是应用最为广泛的索力测试方法。然而,由于电信号无法远距离准确传输的固有缺点,当前应用的基于压电式加速度传感器的频率法还无法满足索力监测的要求,只能用来进行索力检测。针对这一弱点,作者采用了中心研制的光纤光栅振动传感器来代替压电式加速度传感器并重新设计了索力测试系统。文章将介绍这一新型的索力测试系统,并与传统的频率法索力测试系统作对比试验研究。1 索力与频率的关系 在频率法中,以环境振动或者强迫激励拉索,传感器记下时程数据,并由此识别出索的振动频率。由拉
光纤光栅在线监测系统 FBG-9900光纤光栅在线监测系统
引言 光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒介的光纤，具有一系列独特的，其它载体和媒介难以相比的有点。具有本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，可靠性好，测量精密度高，抗电磁干扰、抗雷击等优点。能实现对温度、湿度、压力、应变、振动，位移及加速度等参数的精确测量。特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制，环境恶劣等场合下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎各个领域都在进行研究和应用，产业得到蓬勃发展。 系统介绍 北京金石智信科技有限公司研发的光纤光栅在线监测系统QTSD-CF01，采用光放大器（OA）和波分复用（WDM）技术以增加传输距离和比特率，并结合公司独特的光栅切趾技术，使解调仪和光纤光栅传感器的精度和可靠性处于国际领先水平。另外本公司研发的光纤光栅在线监测系统，已通过国家消防认证和ISO9001质量管理认证。 系统原理 光纤光栅传感技术隶属光纤传感技术的一种，它是通过紫外激光照射位于光纤上方的相位掩模板后，在光纤内部形成的一段长为10-15mm的栅状结构，因而被称为“光纤光栅”（Fiber Bragg Grating，FBG）。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤（直径为0.125 mm～0.25 mm）的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜，制作完成后的光纤光栅相当于在普通光纤中形成了一段长度为10 mm左右的敏感区，该区域波长在温度、应变等作用下发生偏移，通过测量中心波长的偏移，可以准确感测温度、压力、应变及位移的变化。
光纤光栅传感器理论基础 1光纤光栅的基础理论介绍 (1) 1.1光纤光栅的发展 (1) 1.2光纤光栅的分类 (2) 1.3光纤光栅的制作 (5) 2光纤布拉格光栅的结构 (6) 3光纤布拉格光栅的传感机理 (7) 3.1光纤布拉格光栅的温度传感模型 (8) 3.2光纤布拉格光栅的应变传感模型 (9) 3.3光纤光栅的交叉感染传感模型 (10) 4光纤光栅的几种典型解调方法 (11) 4.1非平衡M-Z干涉仪扫描法 (11) 4.2可调谐F-P滤波法 (12) 4.3 边缘滤波器法 (13) 1光纤光栅的基础理论介绍 1.1光纤光栅的发展 在光纤中制作光栅新技术的出现，在二十世纪末带来的巨大的影响。它给光纤通信技术以及光纤传感技术等相关领域带来了一次里程碑式的革命，使得人们可以制作大量基于光纤光栅的新型光有源∕无源器件和智能传感器。 光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating：FBG）。1978年，加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人首次观察到掺锗光纤中光诱导产生光栅效应，并利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅——光纤布拉格光栅。1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的G.Meltz等人运用准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器输出的244nm紫外光作为光源，用双光束侧面全息相干法在掺锗石英光纤上研制出世界上第一根位于通信波段布拉格谐振波长的光纤光栅，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。1993年，Hill等人又提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，降低了对紫外光源相干性的要求，重复性好，适于大规模生产，这使得光纤光栅真正走向实用化和产品化。同年，董亮等人还提出了在线成栅法，在光纤拉制过程中对光纤逐点写入形成光栅，免去了光纤光栅制作时剥去光纤涂敷层的工序，适于大规模制作高反射率、窄线宽的光纤光栅。1994年6月，R.Kashyap等人用线性阶跃啁啾
第一章绪论 1.1 引言 自20世纪70年代美国Corning公司制造出第一根低损耗光纤至今，光纤通信技术从实验室走向产业，迅速壮大，并发展成为年产值逾千亿元、当今信息时代的支柱之一。与之相伴生的光纤产业链的另一个分支——光纤传感技术产业，在经历了由零星研究走向集中开发、由军用步入民用、由单点监测走向分布式网络监测之后，近年来正大踏步地走向产业腾飞之路。 随着当今军事、工业、民用等领域自动控制系统的飞速发展，作为系统核心的传感技术在人们的生活中得到了越来越广泛的应用。而伴随对传感性能的不断提高的要求，许多新型的传感器件和方法被不断研制出来。 作为传感器件应用的光纤传感器，具备了灵敏度高、动态范围大、不受电磁干扰等突出的优点。在包括强度、频率、波长、偏振调制等多种光纤传感形式当中，相位调制型具有最高的灵敏度，而分布式相位调制型光纤振动传感器则可以实现连续高精度定位传感，具备广阔的应用前景。 1.2 光纤传感技术简介 光纤传感器的历史可追溯到上世纪70 年代，那时，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度，也涌现出许多成果。但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈，这使得它在工程上的应用较少。最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破。随着新方法、新工艺不断被引入，大量低价位高性能光纤传感器面世，而光纤与其他学科理论相结合，不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高，而且其应用领域也越加广阔。 1.3 光纤传感器的应用 光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品也不断推层出新，显示出强大的生命力。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将