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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。
第28卷第2期杭州电子科技大学学报Vol.28,No.2 2008年04月Journal of Hangzhou Dianzi University Apr.2008 长周期光纤光栅解调的FBG 温度传感系统程筱军(杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018)收稿日期:2007-09-15作者简介:程筱军(1956-),男,浙江杭州人,实验师,传感器.摘要:长周期光纤光栅是特定波长范围内的线性滤波器件,该文设计了长周期光纤光栅解调的布拉格光纤光栅温度传感系统。
在布拉格温度传感器中,布拉格光纤光栅的反射波中心波长随温度的改变会引起一定程度的漂移,设计布拉格光纤光栅的波长变化在长周期光纤光栅的线性吸收区域,可以使长周期光纤光栅对布拉格光纤光栅的反射波长的吸收随波长而改变,随后使用光电传感器可以得到电信号与温度信号的相对应关系,从而把温度信号转换成了电信号。
对该系统的测试及仿真结果证明,该系统有很好的温度检测功能。
关键词:长周期光纤光栅;布拉格光纤光栅;温度传感器;光纤中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1001-9146(2008)02-0025-040 引 言光纤传感器具有稳定的优点,得到了广泛的研究和应用[1]。
光纤传感器主要基于如光的强度、相位、极化、波长等的改变来检测被测量参数。
布拉格光纤光栅(FiberBraggGrating,FBG )传感器是利用光栅反射特定波长,而特定波长是随温度和应力等环境变化而变化的,因此,FBG 被广泛用于各种传感器的研制[2]。
其中温度的检测是FBG 传感器其最常用的方面之一。
FBG 温度传感器是把温度信号直接耦合到波长的变化,信号的输出不依赖于总的光强度,耦合器中的损耗和光源的振动。
FBG 温度传感器的解调方法很多[3-4],但目前的研究难点在于设计低成本、紧凑的、高精度的解调单元。
解调中最简单的方法是用光谱议直接显示波长的变化,这种方法在实验室中用来分析非常好。
光纤光栅传感器概述光纤光栅传感器是一种基于光纤传输和光栅技术的传感器。
它利用光栅的特性来测量光纤中的光信号，从而实现对物理量的测量和监测。
光纤光栅传感器具有高精度、长寿命、抗干扰等特点，在许多领域中广泛应用。
工作原理光纤光栅传感器的工作原理基于布拉格光栅的特性。
布拉格光栅是一种光学衍射结构，它由一系列等间距的折射率变化区域组成。
当入射光波与光栅相互作用时，会发生光衍射现象。
根据不同的入射角度和波长，只有特定的波长会在特定的入射角度下被反射回来。
这个特定波长就是布拉格波长。
在光纤光栅传感器中，通过将光纤中一段长度的折射率周期性变化，形成一个布拉格光栅。
当光信号从光纤中传输经过光栅区域时，会发生衍射现象，反射出特定波长的光信号。
通过测量这个特定波长的光信号的强度变化，可以得到物理量的信息。
应用领域光纤光栅传感器在许多领域中得到广泛应用。
以下是一些典型的应用领域：1. 温度测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随温度的变化来实现温度的测量。
这种传感器具有高精度、快速响应等优点，在工业过程控制、环境监测等方面应用广泛。
2. 应变测量：光纤光栅传感器可以通过测量光纤中的布拉格波长随应变的变化来实现应变的测量。
由于光纤的柔性和高强度特性，这种传感器在结构健康监测、材料力学测试等领域中具有广泛的应用前景。
3. 液位测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随液位的变化来实现液位的测量。
这种传感器具有高灵敏度、非接触式测量等优点，适用于液体储罐、水池等液位监测场景。
4. 压力测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随压力的变化来实现压力的测量。
这种传感器具有高精度、快速响应等优点，适用于工业流体控制、汽车发动机监测等领域。
总结光纤光栅传感器是一种基于光纤传输和光栅技术的传感器，利用光栅的特性来测量光纤中的光信号，实现对物理量的测量和监测。
它具有高精度、长寿命、抗干扰等优点，在温度测量、应变测量、液位测量、压力测量等领域中得到广泛应用。
长周期耦合模理论1400150016001700-20-15-10-55d bnm长周期光纤光栅的模式耦合主要指是指纤芯基模和同向传输的各阶包层模之间的耦合。
在理想光纤中传输的光的不同模式相互正交，传输过程中不同模式之间没有能量交换，即不同模式的能量保持恒定。
而长周期光纤光栅中周期性的折射率调制使纤芯基模和同向包层摸发生耦合，能量在模式之间发生相互转移。
光纤结构图长周期光纤光栅是纤芯导模与同向传输的包层模之间的耦合，而耦合到包层中的光在经过一段距离传输后，由于包层与空气界面的散射以及光纤弯曲等原因，包层模转化成辐射模而迅速衰减掉。
由于同向传播的导模可以耦合到不同阶的包层模。
从而在长周期光纤光栅的透射谱中可以观察到一系列的损耗峰。
光纤光栅的模式有效折射率变化()eff n z δ可表示为：2()()1cos ()eff eff n z n z vz z πδδ⎧⎫⎡⎤=++Φ⎨⎬⎢⎥Λ⎣⎦⎩⎭()eff n z δ表示直流有效折射率变化，v 是折射率调制的条纹可见度，Λ为光栅周期，()z Φ描述光栅啁啾。
定义长周期光纤光栅的设计波长D eff n λ≡∆Λ长周期光纤光栅的模式耦合方程可近似表示为：ˆ()()dRi R z ikS z dZ σ=+ ˆ()()dSi S z ik R z dZσ*=-+ R 、S 表示纤芯基模和同向包层模的幅度，ˆσ和k 分别表示自耦合系数和模式间的交叉耦合系数。
自耦合率t =和交叉耦合率t ⨯：222222()1cos sin (0)1ˆR z t k R σ===++22222()1sin ˆ(0)1S z t R k σ⨯==+ 谐振波长和带宽交叉耦合率最大时的谐振波长为：112211()2res Dλλσσπ=Λ-- 折射率调制主要发生在纤芯的均匀单模长周期光纤光栅，包层的折射率调制很小，所以上式可近似表示为：1eff resD eff n n δλλ⎛⎫≅+ ⎪ ⎪∆⎝⎭在长周期光纤光栅的写入过程中，损耗峰首先出现在光栅的设计波长D λ处，随着折射率调制的增加，谐振波长向长波方向移动，即均匀长周期光纤光栅的谐振波长由光栅的设计波长D λ（光栅周期Λ）和平均有效折射率调制大小决定。
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例一、本文概述光纤光栅传感器作为一种先进的光学传感器，近年来在多个领域中都得到了广泛的应用。
本文旨在全面介绍光纤光栅传感器的工作原理及其在各领域中的应用实例。
我们将详细阐述光纤光栅传感器的基本原理，包括其结构、光学特性以及如何实现传感功能。
接着，我们将通过一系列应用实例，展示光纤光栅传感器在结构健康监测、温度测量、压力传感以及安全防护等领域的实际应用。
通过本文的阅读，读者将能够对光纤光栅传感器有一个全面深入的了解，并理解其在现代科技中的重要地位。
二、光纤光栅传感器的基本概念和原理光纤光栅传感器，也被称为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器，是一种基于光纤光栅技术的传感元件。
其基本概念源于光纤中的光栅效应，即当光在光纤中传播时，遇到周期性折射率变化的结构（即光栅），会发生特定波长的反射或透射。
光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅对光的反射作用。
在制造过程中，通过在光纤芯部形成周期性的折射率变化，即形成光栅，当入射光满足布拉格条件时，即入射光的波长等于光栅周期的两倍与光纤有效折射率的乘积时，该波长的光将被反射回来。
当外界环境（如温度、压力、应变等）发生变化时，光纤光栅的周期或折射率会发生变化，从而改变反射光的波长，通过对这些波长变化的检测和分析，就可以实现对环境参数的测量。
光纤光栅传感器具有许多独特的优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围大、响应速度快、能够实现分布式测量等。
这使得它在许多领域，如结构健康监测、航空航天、石油化工、环境监测、医疗设备、智能交通等，都有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的工作原理决定了其可以通过测量光栅反射光的波长变化来感知外界环境的变化。
因此，在实际应用中，通常需要将光纤光栅传感器与光谱分析仪、解调器等设备配合使用，以实现对环境参数的精确测量。
光纤光栅传感器的基本概念和原理为其在各种应用场景中的广泛应用提供了坚实的基础。
收稿日期:2008204218 作者简介:毕卫红(19602),女,河北人,教授,博士生导师,主要从事光纤传感、光电检测及近红外技术的研究。
文章编号:100422474(2009)0520649203长周期光纤光栅电压传感器系统毕卫红,陈泽贵,王海宝(燕山大学信息工程学院,河北秦皇岛066004) 摘 要:设计了一种基于长周期光纤光栅的电压传感系统。
传感长周期光纤光栅横向粘贴在压电陶瓷上,并将被测工频电压施加于压电陶瓷的两端,压电陶瓷在电压的作用下产生同频伸缩并实现对光信号的调制。
通过测量长周期光纤光栅的谐振波长的偏移量来获得被测的电压。
实验结果表明,该电压传感系统可靠性好,精度高。
关键词:长周期光纤光栅;温度交叉敏感;压电陶瓷;透射光谱;电压传感系统中图分类号:TN253;TM45 文献标识码:ALong Period Fiber G rating Voltage Sensing SystemBI Wei 2hong ,CHEN Ze 2gui ,WANG H ai 2bao(College of Information Science &Engineering ,Yanshan University ,Qinhuangdao 066004,China ) Abstract :A kind of fiber voltage sensing system based on long period fiber grating is designed.Sensing long pe 2riod fiber grating (L PF G )was pasted laterally on the piezoelectric ceramics ,and the measured f requency voltage was imposed on the two ends of the piezoelectric ceramics ,in the effect of the voltage ,the same f requency scalable off se 2ted and the light signals were modulated.By measuring the shift of the resonant wavelength of L PF G ,the measured voltage was obtained.It has been seen in experiments that the sensing system possessed good reliability and high ac 2curacy. K ey w ords :L PF G;temperature 2sensitive ;piezoelectric ceramics ;transmission spectra ;voltage sensing system 随着电力工业的快速发展,因传统的铁芯式电压互感器其具有抗电磁干扰能力差,易爆,体积大,价格高等缺陷,故电压互感器的更新换代是必然的,研制出性能稳定,准确度高,结构简单,成本低的互感器将成为研究者所追求的目标,也是目前研究的热点。
近年来,随着对光纤光栅理论的研究和制作方法的不断提高,光纤光栅传感技术有了巨大的进步,在这个领域涌现出许多新型的传感器。
1995年,Vengsarkar 等人指出第一根长周期光纤光栅(L PF G )具有易制作,附加损耗小,无后向反射,与偏振无关等优点,谐振波长对应变、温度、浓度、压力等外界环境的变化很敏感,所以其用途广泛。
本文将L PF G 横向粘贴在压电陶瓷上,用于感知交流电压加在压电陶瓷上所产生的应变,通过在光谱仪中观察两个谐振波长的偏移量来计算出光栅的应变,进而由所建的数学模型实现被测电压的测量。
本方案,充分考虑了温度对谐振波长的偏移量的影响,因而所求出的被测电压值更准确。
1 工作原理压电形变由L PF G 传感,由压电陶瓷极化方向的形变引起L PF G 的应变,进而导致L PF G 谐振波长发生变化。
通过测量电压变化前后两个谐振波长的各自变化量,就可获得待测应变及温度的变化情况,进而由应变经所建数学模型推导出被测的电压。
1.1 LPFG 的工作原理按照耦合模理论[123],在光纤光栅中两个传输模要发生耦合,必须满足相位匹配条件 β1-β2=Δβ=2π/Λ(1)式中 β1、β2分别为要发生耦合的2个模的传播常量;Δβ为2个传播常量之差;Λ为光栅周期。
传播常量为 β=2πn eff /λ(2)式中n eff 为有效折射率,若选取β1、β2分别是导模和n 阶包层模的传播常量,将式(2)代入式(1)得 λn =[n co -n (n )c1]Λ(3)式中 n co 为导模的有效折射率;n (n )c1为第n 阶包层模的有效折射率;λn 为导模耦合到第n 阶包层的波长。
由于n co 、n (n )c1、Λ均是温度T 和光纤光栅应变ε的函数,所以,λn 是T 和ε的函数。
1.2 电压测量的工作原理将带有L PF G 的光纤横向粘贴在压电陶瓷上如图1所示,在压电陶瓷两端加被测交流电压,利用逆压电效应,压电陶瓷会在横向极化方向上产生同频形变,使粘在其上的L PF G 被拉伸或缩短。
宽带光源发出的光经耦合器到达传感L PF G ,因传感L PF G 长度随压电陶瓷形变发生变化而被调制,传感L PF G 的透射光谱的中心波长随着调制电压的变化而变化,携带电压信号的透射光经过光谱仪查看L PF G 中心波长的偏移量,就可实现被测电压的第31卷第5期压 电 与 声 光Vol.31No.52009年10月PIEZO EL ECTRICS &ACOUSTOOP TICSOct.2009解调。
图1 L PF G 电压互感器结构图压电陶瓷采用PZT 25,如图2所示。
图中,L 为压电陶瓷的长度,W 为宽度,H 为高。
PZT 25在加上电压后,沿3方向发生极化,d 33为静态压电常数,d 31为径向压电常数。
根据逆压电效应,即施加电场E 时成比例地产生压电陶瓷的应变S ,且 S =d ・E(4)即 S =d 33V /H(5)式中 d 为压电常数;V 为所加的电压。
图2 PZT 25的逆压电效应2 数学建模L PF G 是纤芯基模耦合到同向包层模的无源器件,通常可形成多个损耗峰[425]。
光纤光栅不同损耗峰的谐振波长的ε或温度灵敏度不同,有的甚至符号相反。
当ε和T 同时作用于L PF G 时,纤芯基模L P01与L P0L 或L P0B 包层模耦合形成的损耗峰各自谐振波长的变化和。
ΔλL /λLΔλB /λB=K εL K T L K εB K T B ΔεΔT (6)式中 K εL 和K εB 分别是应变单独作用于L PF G 时,谐振波长λL 和λB 的应变灵敏度;K T L 和K T B 分别为温度单独作用于L PF G 时λL 和λB 的温度灵敏度。
由矩阵方程可知,只要K εL K T B ≠K εB K T L(7)式(7)有解,即下式有解。
ΔεΔT=K εL K T L K εB K T B -1ΔλL /λLΔλB /λB(8)由于压电陶瓷和粘贴在其上的L PF G 应变变化一致,故有ΔεS=L L PFGL PZT 25(9)由式(6)和式(9)联立可得ΔλL (ε,T )λL =K εL d 33VH ・L L PFG L PZT 25+K T L ΔT ΔλB (ε,T )λB=K εB d 33VH ・L L PFG L PZT 25+K T B ΔT (10)式中 Δε为长周期光纤光栅的应变;L L PFG 为L PF G 的长度;L PZT 为极化方向的压电陶瓷PZT 25的长度;ΔT 为变化的温度。
3 实验与结果实验中的光源为ASE 宽带光源,光谱仪AQ6317B ,波长分辨率为0.01nm ,所用的L PF G 是利用振幅掩模板法[628],光纤Coning SM F 228制作的,λres =1556.44nm ,3dB 带宽约为6nm ,其透射谱光谱图如图3所示,实际电压是由国电亚光电源(北京)有限公司提供的H Y17972系列线性高压电源供压,电源电压随机偏差为0.1V 。
压电陶瓷选用保定宏声公司提供的PZT 251,L =15mm,W =10mm ,H =5mm ,径向压电常数d 31=460p m/V ,静态压电常数d 33=d 15=700p m/V 。
图3 L PF G 的透射谱光谱图实验中选取λL =λres =1556.44nm ;λB =1560.37nm 作为所选两谐振波长值。
经MA TL AB 仿真,所得谐振波长λL 及λB 关于温度与应变的曲线图如图4所示。
图4 谐振波长λL 及λB 关于温度与应变的曲线图用光谱仪观测温度和应变对透射谱波长漂移的影响,由所建的数学模型得到传感器读出的电压。
图5为实际电压与传感器读出电压真实值的关系曲线。
650压 电 与 声 光2009年 图5 实际电压与传感器读出电压曲线4 结束语本文用一根长周期光纤光栅实现了温度和电压的同时测量。
利用所建的数学模型,解决了温度交叉敏感问题,实现了较精确的电压测量。
本方案既解决了传统电压互感器体积大,价格高等缺点,又克服了光纤传感器受光源起伏、光纤弯曲损耗等因素影响的问题,同时充分考虑了温度交叉敏感的问题,且系统结构简单,经济性好,因此在实际开发中有着很大的潜在应用价值。
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