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光纤光栅应变传感器温度补偿的解决方案-PPT文档资料

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光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理

光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理

光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理光纤布拉格光栅传感器，简称FBG传感器，这可是个神奇的东西哦！它不仅可以测量温度，还能测量应变，简直就是个万能的小助手。

今天，我就来给大家聊聊这个神奇的小家伙是怎么工作的，让我们一起揭开它的神秘面纱吧！我们来了解一下FBG传感器的基本结构。

它是由一系列周期性折射率不同的光纤组成的，这些光纤就像一根根细细的琴弦，当光线通过它们时，会发生折射现象。

而这种折射现象正是FBG传感器测量温度和应变的关键所在。

FBG传感器是如何测量温度的呢？其实，这就要靠那些神奇的光纤了。

当阳光或者光源照射到光纤上时，光纤中的原子会吸收一部分光线，使得光线在光纤内部发生反射。

而反射回来的光线经过多次反射后，最终到达了FBG传感器的检测器。

检测器会根据反射光线的强度和时间变化来计算出光纤的温度。

是不是很厉害啊！我们再来聊聊FBG传感器是如何测量应变的。

其实，这也是利用了光纤的折射现象。

当FBG传感器受到外力作用时，光纤会发生形变，从而导致折射光线的变化。

而这种变化又被检测器捕捉到，从而计算出了应变的大小。

是不是感觉FBG传感器就像一个神奇的变形金刚一样，可以感知到周围的变化呢！FBG传感器有哪些应用呢？其实，它的应用范围非常广泛。

在建筑行业中，它可以用来检测混凝土的结构变化；在医疗行业中，它可以用来监测人体的生理指标；在汽车制造行业中，它可以用来检测车身的变形情况。

只要有需要测量温度和应变的地方，FBG传感器都可以派上用场哦！当然啦，虽然FBG传感器非常神奇，但它也有一些局限性。

比如说，它的灵敏度有限，不能用来检测非常微小的应变；而且，它的精度也有一定的误差。

随着科技的发展，相信这些问题都会得到解决的。

今天关于光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理就给大家介绍到这里了。

希望对大家有所帮助哦！下次再见啦！。

光纤光栅感温火灾报警系统的研制PPT课件

光纤光栅感温火灾报警系统的研制PPT课件

2020/3/28
6
•
2.2 匹配光纤光栅解调
• 匹配光纤光栅解调系统如图所示，选用一个与传感光纤光栅FBG参数 相近的光纤光栅(即匹配光栅)作为检测光栅，使两个光纤光栅的反射 谱部分重叠，FBG的反射输出信号作为检测光栅的输入信号。传感信 号隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。当传感光纤光栅受到温度变 化时，其输出的反射谱在一定波长范围内发生漂移。传感光纤光栅输 出的反射谱输入给解调光纤光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分 相对应范围内的光波才能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强 度成正比。当两光栅的反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信 号较强，反之则较弱。
• 10．5个通用的16位定时器；
• 11．具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；
• 20210/23/．28 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。
15
3.1 系统芯片电路模块
• (4) 根据系统的要求，通过模块化编程，完成整个系统底层程 序的编写.
• (5) 总结已经完成的研究工作，并对进一步研究作出规划。
2020/3/28
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2.1 光纤光栅传感原理
FBG传感器的传感原理如图2-2。用一宽光谱光源注入光纤，则每个 FBG光栅都反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波，其布拉格波 长为：
• (1)FBG传感器是一种以波长调制的数字式传感器，是以光波信号 传输，被测现场无电信号，因此，具有高可靠性、高安全性特点；
2020/3/28
2
• (2)温度测量范围宽，可对现场温度进行连续监测，可将温度探测 开关量与模拟量、差温式与定温式有机结合，可实现火灾报警和 早期预警功能；
• (3)抗电磁干扰能力强，绝缘性能高，可以工作在高压、大电流及 爆炸环境中，光纤质量轻、柔性好、工程安装方便；

实验11 基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器实验

实验11 基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器实验

实验11基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器实验物光1201 朱学军201121051一、FBG反射光谱特性测量从原始数据中我们看到纵坐标最大值为559.552，且为单峰，由于数据过多，我们舍去纵坐标小于1的项，绘出图表如下从图中可以读出最大值560，对应中心波长值1544.616nm。

其一半为280，其与右边交于一点（1544.694，280），左边数据有误差，根据曲线走势，取最右边的一点（1544.556，280），得其3dB带宽|1544.694-1544.556|=0.138nm。

二、光纤FBG温度传感器的标定将原始数据进行线性拟合，得b=0.010649,a=1540.2141544.520 26.01544.682 41.01544.837 56.01545.029 75.01545.204 90.41545.373 105.0标定后，我们又测了两组数据真实值108.6 95测量值108.2 93.20可以看出，拟合还是比较标准的，但还是存在一定的误差。

三、光纤FBG应变传感器的——光纤称重传感器1564.404 01564.696 5001564.885 10001565.077 15001565.270 20001565.467 25001565.667 3000将原始数据进行线性拟合，得b=0.0000985,a=1544.615标定后，我们又测了三组数据真实值1000 2000 2500测量值1003.4082022.676 2478.746可以看出，在误差允许的范围内，拟合还是比较标准的。

四、思考题1、影响光纤FBG温度传感器的测量精度的因素有哪些？答：有操作失误、温度没有稳定就读值、光纤有损坏、系统误差等。

2、如何提高光纤FBG中心波长的计算精度？答：在最高点附近多测几组数值、整体多测几次求平均、读数时根据曲线的对称性在最高点附近两边取纵坐标相同的值再求中点。

五、心得体会通过本次实验，我了解了基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器的工作原理和特性，同时对传感器也有了更多的了解，测量是否精确也在一定程度上取决于标定的情况。

光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器

温度传感器技术原理
温度测量方案
巧妙设计传感器结构及安装方式， 巧妙设计传感器结构及安装方式，使传感器敏感单元不受外界应力 应变影响，从而仅感受环境温度。 应变影响，从而仅感受环境温度。
T1 = αT *(λT1 − λT 0 ) +T0
为所测温度值（ 为初始温度值（ 为所测温度值（℃）， T0 为初始温度值（℃）， αT 为温度传感器温度系数 温度时的传感器波长值（ （℃/nm）， λT 0 为 T0 温度时的传感器波长值（nm）， λT 1为 T1 温度时的传感器 ）， ）， 波长值（ 波长值（nm）。 ）。
应用前景
光纤光栅具有耐腐蚀、防水、抗电磁干扰、集传感与传输 于一体、易 于埋到材料内部； 具有波长分离能力强、长期稳定性好、传感准确度和灵敏度极高；
可实现远距离和分布式传感，易于集成分布传感网络系统；
可广泛应用于航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域； 对工程结构的应力、应变、温度，以及结构蠕变、裂缝、整体性等结构 参数的实时在线监测，实现对结构内多目标信息的监控和提取； 依据安装环境定制各种不同用途的传感器，实现多参量多、远距离、同 一仪器监测的“物联网”技术。
工程案例 国家游泳中心—水立方 国家游泳中心 水立方 胜利油田CB32A海洋平台 胜利油田 海洋平台 秦皇岛热电厂开关柜温度监测 安钢动力厂电缆温度监测系统 中石油新疆独山子/塔里木石化油罐群感温火灾 中石油新疆独山子 塔里木石化油罐群感温火灾 探测系统 中石化茂名石化分公司油罐消防监测 中石化青岛炼油厂 首都钢铁股份有限公司焦化变电站温度监测系统
T1
λ 传感器出厂时对应唯一的温度系数 α T ；传感器安装后记录环境初始温 度 T0 和传感器初始波长值 λT0 ，并将该温度值及初始波长值记录于解调 仪作为起始值。今后传感器每一个波长值对应环境一个温度值。 仪作为起始值。今后传感器每一个波长值对应环境一个温度值。

光纤光栅的应变和温度传感特性研究

光纤光栅的应变和温度传感特性研究

光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一 光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二 光纤光栅传感器增敏与封装 (3)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (4)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (5)5 粘敷式敏化与封装 (7)三 光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG 与LPFG 混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一 光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。

当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。

由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。

FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。

光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。

假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

第8章光纤传感器应用分析ppt课件

第8章光纤传感器应用分析ppt课件

光强
(3) 基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器
反射光谱
λB
布拉格波长 B 2neff
传感器头
磁致伸缩材 料
螺线管内磁场 B 0nI
光纤光栅电流传感器结构 1
宽光谱光源 波长测量
环形器
信号 处理
施加磁场改变光栅的周 期，使其反射波长产生 变化。
电流传感器结构 2
GMM--磁致伸缩材料
弱而伸缩，使得通过光纤的光
程发生变化。信号光与参考光
干涉后，得到与磁场成比例的
输出信号。这种磁场传感器灵
敏度高，分辨率可达10-12T, 可
用于测量磁场、探矿等。
光纤 干涉仪测量
a）光纤马赫—泽德尔磁场传感器
光源
3dB
磁场
磁致伸缩材料被覆 光纤作为测量臂
测量臂
3dB
耦合器
耦合致伸缩效应的物理解释
在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的 交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的 自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和 状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。
磁畴
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
磁场增强 H
在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁 能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自 发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位， 这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场 成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不 断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失， 留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。
沉积镍薄膜
裸光纤
几种敏感元件的基本结构
a) 被覆式 b) 心轴式 c) 带式
被覆材料

光纤传感器原理及应用ppt课件

光纤传感器原理及应用ppt课件

• 1977年，美国海军研究所(NRL-National Novel Research Laboratory)开始执行光 纤传感器系统计划
光纤传感器问世
• 1983年起，国际光纤传感器会议定期召开， 光纤传感器的研究成为世界研究热点
• 各个发达国家都做了大量的研究工作，具 体如下：
美国
FOSS(Fiber Optic Sensor System) —光纤传感器系统：水声器、磁强计和 其它有关的水下检测设备
• 灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，防爆。 • 无源器件，不干扰被测场。 • 结构简单，体积小，重量轻。 • 便于和计算机连接，可以实现分布式传感和遥测
技术:在整个光纤长度上能连续的获得被测量的响 应，传统的几百个点传感器阵列可以用一条光纤 取代。 • 频带宽，动态范围大。 • 几何形状具有多方面的适用性，便于组合系统， 可以组成任意形状的FOS或FOS阵列，并且可与计 算机连接，实现多功能及智能化。
光纤传感器的基本构成
外界参量
光 光纤 信号 光纤 光探
源
调制
测器
信号 处理
光源：LD,LED,白炽灯，激光器等 信号调制：待测参量引起光信号强度、波长、频率、
相位或偏振态的变化。 光探测器：PIN,APD,CCD,光电池等。 信号处理：电路、计算机、单片机，计算机系统等。
2.光纤传感器的分类
• 按照传感原理进行划分
2.传感器系统
• 从单一传感器的研究进入到传感器系 统的研究，并与微处理机相结合形成 光纤遥测系统。
3.提高可靠性和稳定性
• 降低成本。 • 特殊光纤：根据实际需要选用新的
材料，设计特殊结构的专用光纤。 • 对基础技作。
• non-resonant wavelengths are transmitted through the device without loss.
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Hale Waihona Puke 矩阵法矩阵法Fig. 2 shows the respective spectra of the sensing FBG under no stress and 1500 N. It is indicated that when the sensor is stressed, the chirp bandwidth increases; meanwhile, the central wavelength moves to short wavelength,
参考光栅法
将两性能相同的光栅置于同一温度场的测量环境中, 以保证温度变化对两光栅的影响相同。其中一个作参 考光栅, 封装时使其免受应力作用, 只感测温度的变化。 从测量光栅测得的总波长变化量中减去温度引起的波 长变化, 便可实现温度补偿。
特殊结构法
将两种包层直径不同而材料相同的光纤按图所示 熔接在一起, 这两种光纤在靠近熔接处分别写有中心波 长相近的光栅。当光纤光栅所受温度和应变同时改变 时, 两光栅表现出相同的温度响应特性, 但应变响应特 性不同, 从而实现区分测量。
光纤光栅应变传感器 温度补偿解决方案
双波长方案
由于光栅布拉格波长对温度与应变均敏感, 它 本身无法区别温度和应变分别引起的波长变化, 导 致温度和应变的交叉敏感问题制约其发展。而在 进行应变传感测量时, 如何消除温度的影响, 也一直 是人们研究的重要内容。在实际应用中, 必须对温 度进行补偿。 其主要思想是在同一光栅中或一对光栅间形 成两个相关联的布拉格中心波长入B1 、入B2 。利 用入B1、入B2的关联特性, 将应变与温度进行分离。 1. 参考光栅法 2. 特殊结构法 3. 矩阵法
矩阵法
利用两种不同化学聚合物分别对光纤光栅进行封 装, 其中将光栅一半封于聚胺脂甲中, 待其固化后, 再将剩 余一半光栅和甲全部封装于聚酞胺乙中, 整个光栅位于 乙的中心。封装后, 会产生两个反射峰, 且这两个峰的压 力和温度灵敏度均不相同, 从而达到压力和温度的同时 测量, 解决了测量压力时温度变化带来的不利影响。
矩阵法
It can be concluded that the chirp is only determined by the axial stress. The shift of central wavelength is determined by both axial stress and temperature variation. The central wavelength change has a constant ratio with applied stress under different circumstance temperature.
矩阵法
An Embedded FBG Sensor for Simultaneous Measurement of Stress and Temperature （1）文献来源与出处： IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 18, NO. 1, JANUARY 1, 2019 （2）文献内容简介： 文章提出了一种可以同时测量压力和温度嵌入式光纤布拉格光栅(FBG)传感器， 光纤光栅封装在一个锥形聚合物中，当给传感器压力时，光栅呈线性啁啾。外 加压力值和温度值可以通过测量啁啾和中央波长来获得。实验结果表明，该传 感器的应力敏感度为2.62×10-3 nm/N 和温度灵敏度为0.108 nm/℃。因为光纤光 栅受到很好的保护，且无突发的应力应变，所以传感器表现出卓越的可靠性。 （3）文献的特色与创新点： 1. 对同一段光纤光栅的两半进行不用封装，即可以得到两个不同波长的反射 峰，通过比较两个反射峰波长的差异，初步断定中心波长的变化是由温度 还是应力应变引起的； 2. 文章采用的聚合物是一种改性丙烯酸酯胶粘剂，聚合物不仅给光纤光栅提 供了强有力的保护,也给光纤光栅提供了传感线性应变分布（有效地防止了 突发的应力应变），使得传感器更加可靠、更加实用； 3. 通过实验了解到啁啾现象只与应力应变有关，而中心波长的漂移同时受到 温度与应力应变的影响。