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光纖光柵傳感器的研究與應用
作者：
時(shí)間：2010-11-10
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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當作用于光纖光柵的被測物理量(如溫度、應力等)發(fā)生變化時(shí)，會(huì )引起n和A的相應改變，從而導致λB的漂移；反過(guò)來(lái)，通過(guò)檢測λB的漂移。也可得知被測物理量的信息。Bragg光纖光柵傳感器的研究主要集中在溫度和應力的準分布式測量上。溫度和應力的變化所引起的λB漂移可表示為：
式中，ε為應力，P[i，j]為光壓系數，v為橫向變型系數(泊松比)，α為熱脹系數，△T為溫度變化量。一般情況下， (2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]／2因子的典型值為0．22，可以推導出常溫和常應力條件下的FBG溫度和應力相應條件值為：
利用磁場(chǎng)誘導的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實(shí)現對磁場(chǎng)的直接測量。如通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實(shí)現對電場(chǎng)等物理量的間接測量。
1．3 長(cháng)周期光纖光柵
長(cháng)周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大于100μm，是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一分支。長(cháng)周期光柵的透射峰波長(cháng)主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關(guān)，其相位匹配條件可表示為：
式中。Λ為光柵周期，*****分別為纖芯和包層的折射率。*****為第P階包層模的透射波長(cháng)。當光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時(shí)，被測因素的變化將對光纖的傳輸特性進(jìn)行調制，從而使LPG的透射譜特性發(fā)生變化。這樣，探測出LPG透射譜線(xiàn)的變化，即可推知被測變量的變化，這就是LPG傳感的基本原理。
1．4 分布式光纖光柵傳感系統
目前，除光纖光柵型傳感器的原理性研究之外，分布式光纖傳感系統也是一個(gè)重要的研究重點(diǎn)。分布式FBG傳感系統是在一根光纖中串接多個(gè)FBG傳感器，每個(gè)光柵的工作波長(cháng)相互分開(kāi)，在經(jīng)過(guò)3 dB耦合器取出反射后，再用波長(cháng)探測解調系統同時(shí)對多個(gè)光柵的波長(cháng)偏移進(jìn)行測量，從而檢測出相應被測量的大小和空間分布。
分布式光纖傳感系統是一種傳感器網(wǎng)絡(luò )，它可以從整體上對被測對象的有關(guān)物理量的變化時(shí)間、位置進(jìn)行監控。通過(guò)對分布式光纖傳感器、執行結構、信號處理系統、傳輸系統和控制系統的結合，可形成一個(gè)智能結構。目前，分布式光纖傳感系統通常有拉曼型、布里淵型和FBG型三種類(lèi)型。
2 溫度和應變交叉敏感分離技術(shù)
實(shí)現應變和溫度同時(shí)測量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長(cháng)矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法、溫度(應力)補償法和光強測溫法等幾種技術(shù)。
2．1 雙波長(cháng)矩陣法
雙波長(cháng)矩陣法是出現較早而且目前應用較為廣泛的一種方案。其基本思想是通過(guò)一定方式在一個(gè)傳感頭中獲得兩個(gè)不同的布拉格波長(cháng)，并通過(guò)檢測這兩個(gè)布拉格波長(cháng)的位移來(lái)實(shí)現溫度不敏感測量或應變及溫度的同時(shí)測量。如果λ1、λ2同時(shí)對兩被測量比較敏感。且波長(cháng)漂移隨溫度和應變的變化為線(xiàn)性，溫度和應變變化獨立或只有微弱擾動(dòng)，則由下式可得：
式中，kTi為布拉格波長(cháng)的應變靈敏系數，它與光纖泊松比、彈光系數和纖芯有效折射率有關(guān)；kTi為布拉格波長(cháng)的溫度靈敏系數，它與熱膨脹系數和熱光系數有關(guān)。目前，雙波長(cháng)矩陣法在溫度和應力區分測量方面主要有參考光柵法、雙波長(cháng)重疊FBG法和雙直徑FBG法等。
2．2 雙參量矩陣法
雙參量矩陣法是運用各種方法將溫度和應力對同一光波的影響分別作用于該光波的不同參量上，然后推導出對應關(guān)系，以實(shí)現應力和溫度的區分測量。近年來(lái)，有許多方法基于這一思想的交叉敏感問(wèn)題解決方案。如混合FBG／長(cháng)周期光柵法、二次諧波法、超結構光柵法等。
2．3 溫度參考光柵法
該方法是選用2個(gè)相同參數的FBG對同一測量點(diǎn)進(jìn)行測量，是用兩個(gè)相互相鄰且中心波長(cháng)相同的FBG組成一個(gè)傳感探頭，其中FBGl的長(cháng)度L1大于FBG2的長(cháng)度L2，為了區分兩光柵的反射信號，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。
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