光纤光栅传感器技术及其应用

所谓光纤光栅就是指光纤纤芯中周期性的折射率变化所形成的光栅效应。光纤光栅是基于光纤的光敏特性制成的,是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。其实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。

一般的土木工程,例如,桥梁、水坝、高速公路、楼房等,动辄需要几千万、上亿元的建设资金,而普通的修理和维护费用也相当可观。因此,人们急于找到一种有效的方法来监测这些建筑物的内部状态,提高使用寿命,减少维护费用。在众多解决方案中,最有发展前途的就是“3S ”系统。“3S ”是智能材料(smart-material)、智能结构(smart-structure)和智能皮肤(smart-skin)的缩写。它将高超的光纤光栅技术、光神经网络、光纤致动仪器有机地融为一体,利用掩埋或贴附技术把它们复合到制造现代运载体(如飞机、舰船、坦克等)或各种建筑体(如桥墩、大坝、楼房等)的框架、承力件外蒙皮的复合材料中,制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏表皮形成智能传感系统。“3S ”系统就像人体的“神经网络”一样,对被测体的多种参数如应变、温度、应力、老化、裂变等进行大面积实时综合测量、诊断和控制,并通过测量和数据处理系统进行状态分析,对各种越限行为及时告警,必要时采取应急措施。

1光纤光栅传感器的应用背景

光纤光栅传感器的工作原理是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化,从而引起光纤光栅布拉格波长的变化。通过建立并标定光纤光栅的应变或温度响应与被测

参量变化关系,就可以由光纤光栅波长的变化,测出被测参量的变化[1]。

光纤光栅与光纤之间存在天然的兼容性。它不仅具有易与光纤连接、损耗低、光谱特性好、可靠性高等特点,而且作为传感元件,具有其它传感器无可比拟的优点,即感应的信息用波长编码。波长这个绝对参量不受光源功率的波动及连接或藕合损耗的影响,在一根光纤中可连续写入多个光栅构成光栅阵列。由于光纤光栅具有抗腐蚀、抗电磁干扰、轻巧柔软等特点,因此,将光纤光栅阵列与波分复用和时分复用系统相结合,将其埋入材料和结构内部或贴装在其表面,可对材料的特性(如温度、压力、应变等)实现多点监测。这种传感器在大型结构(如水坝、桥梁、重要建筑和飞行器等)的安全监测方面具有极为广泛的应用前景。利用光纤光栅的温敏和压敏特性,制作对温度、压力、应变等诸多参量敏感的各种阵列式传感器,将成为光纤光栅技术发展的重要趋势之一。因此,光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国有关研究者的广泛关注和极大的兴趣。

虽然有着波长编码等优点,一般的FBG 传感器只能测量纵向应变或温度。因为FBG 同时对应变和温度敏感,所以要测应变只能先去除温度影响,否则两个量会交叉干扰。然而,在工业生产、过程控制、结构监测等方面,人们越来越渴望打破这种限制,获得一种能够同时测量多个参量的传感器,特别是能同时测量纵向和横向应力、温度、剪力。

近年来,人们在多参量测量方面取得了一些进展。这些技术主要是在传感头上写入两个或多个光栅(待测参量数与光栅数成正比),这些光栅有着不同的应力与温度特征,通过测量它们的布拉

光纤光栅传感器技术及其应用

张洪宪

(杭州职业技术学院,杭州310018)

摘要:分析了光纤光栅传感器的理论及技术发展,介绍了光纤光栅器及其传感网络系统应用的最新进展。关键词:光纤光栅;传感器;二维光纤光栅中图分类号:TM923

文献标识码:A

文章编号:1673-1980(2007)03-0044-03

收稿日期:2007-05-11

作者简介张洪宪(65),男,浙江温岭人,杭州职业技术学院信息电子系副教授,理学硕士,研究方向量子光学与激光物理。

第9卷第3期重庆科技学院学报(自然科学版)2007年9月

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格波长偏移,可同时得出应力与温度参量。通常需要几个不同的相位模板。相位模板价格昂贵,而且长时间将光纤暴露在紫外光照射下会影响光线的机械性能。因此,人们希望尽量减少光栅数目,只要一个或两个光栅就能同时测得多个参量。其中一项技术是在两个不同光纤的连接处写入一个FBG。它的缺点是引入了大的结合损耗和两个反射峰的强度不同。

由于应变和温度均能引起光纤光栅布拉格波长的移动,监测单个光纤光栅布拉格波长的变化无法对应变和温度各自引起的变化加以区分。因此,解决应变和温度交叉敏感问题一直是伴随光纤光栅传感技术发展的另一个研究热点。目前,人们主要通过两种途径来解决这一问题,即温度补偿方案与应变/温度双参数同时测量方案。

温度补偿的原理是通过某种方法将由温度扰动引起的光纤光栅布拉格波长的漂移分离出来,使应变测量不受环境温度变化的影响。A D Kersey等人采用引入参考光栅的方法来实现温度补偿的应力测量,实验中参考光栅与测量光栅处于相同的温度环境中,但隔离的参考光栅不受应力的作用;因此通过测量输出相位差,即可实现温度补偿的应力测量[2]。M G Xu等人则将两个不同波长的FBG叠加写入在光敏光纤的同一位置,通过矩阵运算的方法求得光纤光栅所受的应力和温度的变化。基于这种思想,G P Brady等人利用布拉格光栅的一、二级衍射光来实现同时测量,获得了较好的实验结果[3]。采用将布拉格光栅与偏振回旋滤波器相结合,两个布拉格光栅和一个长周期光栅构成混合型传感器,或者在具有不同包层直径的两种光纤中分别写入布拉格光栅,也可以实现温度和应力同时测量。将光纤的受激布里渊散射效应与光纤布拉格光栅相结合,还可以实现准分布式的应力和温度同时测量。

2光纤光栅传感系统的研究进展

阵列传感器是光纤光栅十分重要的应用之一,目前国外已经开展了广泛而深入的研究,取得了很多重要的研究成果。采用匹配光栅解调的方法可以实现分布式传感。这种方法要求传感阵列中的每一个光栅,在接收端都有一个特性完全一致的光栅组成传感——

—接收匹配光栅对,采用这种方法实现的波分和时分复用传感系统可以获得1μ的应变分辨率。D K y等人利用非平衡M Z干涉仪检测的方法来实现光纤光栅复用传感,但由于非平衡M-Z 干涉仪易受环境干扰,因此这种方法只适用于检测动态应变,不适合检测静态应变。还有人提出了一种利用可调谐窄线宽激光光源来查询传感光栅阵列,从而确定光栅反射波长的方法,来实现波分复用传感,实验中对温度的分辨率可达0.2℃。但传感光栅的个数和使用范围受激光器稳定性和调谐范围的限制。1996年,Y J Rao等人将波分、时分和多路复用技术相结合,组成光纤光栅传感网络,实现了对应力的分布式测量[4]。近年来,光纤光栅准分子单脉冲在线写入法的成功,给以上的光纤光栅分布式传感系统提出了新的挑战。由于批量生产的光纤光栅一般具有几乎相同的中心反射波长和较低的光栅反射率,因此必须采取新的技术实现分布式测量。针对这种情况,M ark Fro ggatt等人采用快速傅立叶变换光谱的方法,利用一根光纤中的多个中心波长几乎相同的弱光栅来实现对静态应变的分布式测量,取得了较好的实验效果[5]。目前这方面研究已经成为光纤光栅传感研究的热点,许多重要的研究成果正不断出现。

尽管发展迅速,但光纤光栅传感系统研究仍然面临着许多技术问题。

第一,光纤光栅的制备,目前光纤光栅的商业制备技术得到了很大的提高,但在保持光纤光栅的时间稳定性上仍然有大量工作要做。

第二,光纤光栅传感头封装、贴附新技术新工艺的研究。这需要兼顾两方面的问题,一个是尽可能的提高传感头的灵敏性,即增敏问题;一个是注意不同材料的膨胀系数和温度系数给传感头带来的损伤以及附加噪声。

第三,多点分布、分离和处理技术,分布式传感系统必须具备传感功能和寻址功能。对于分布式光纤传感系统,具体体现在要采用光复用技术,不同的复用测量技术可以构成不同的传感系统。

第四,数据处理技术,即采用什么样的算法对分布式传感器采集的信息进行数据融合处理。

因此,如何改进工艺制造、发展实用化技术,将光纤光栅优良的传感特性转化为生产优势,需要我们不懈努力。

3二维光纤光栅传感器

通常的FBG应力传感器只能测量纵向应力,而利用光纤横向受力时产生的双折射效应可以研究FBG的双参数同时传感,即利用一个FBG同时测量

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