光纖光柵傳感器工作原理

2013-05-13 admin1

光柵式傳感器(optical grating transducer)指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線,刻線密度為 10~100線/毫米。


一、光柵式傳感器工作原理

我們知道,光柵的Bragg波長lB由下式?jīng)Q定:

lB=2nL ⑴


式中,n—芯模有效折射率; L—光柵周期。

當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時(shí),光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化,從而使反射光的波長發(fā)生變化,通過測量物理量變化前后反射光波長的變化,就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同,可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場的直接測量。此外,通過特定的技術(shù),還可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度的分別測量和同時(shí)測量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料),對(duì)電場等物理量的間接測量也能實(shí)現(xiàn)。


1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理

上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng),光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的,對(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測量很有效,但在需要同時(shí)測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時(shí)就顯得力不從心。此時(shí),采用啁啾光纖光柵傳感器就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。


啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同,在外界物理量的作用下,啁啾光纖光柵除了DlB的變化外,光譜的展寬也會(huì)發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應(yīng)變的影響,啁啾光纖光柵反射信號(hào)會(huì)拓寬,峰值波長也會(huì)發(fā)生位移,而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn/dT),僅會(huì)影響重心的位置。因此通過同時(shí)測量光譜位移和展寬,就可以同時(shí)測量應(yīng)變和溫度。


2、長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理

長周期光纖光柵(LPG)的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米,它在特定的波長上可把纖芯的光耦合進(jìn)包層,其公式如下:

li=(n0- niclad)·L ⑵

式中,n0—纖芯的折射率;niclad—i階軸對(duì)稱包層模的有效折射率。


光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減,留下一串損耗帶。一個(gè)獨(dú)立的LPG可能在一個(gè)很寬的波長范圍上有許多的共振,其共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差,由應(yīng)變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長位移,通過檢測Dli,就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度,因而適用于構(gòu)建多參數(shù)傳感器。


二、光柵式傳感器的組成部分

1、光源

鎢絲燈泡,它有較小的功率,與光電元件搭配使用時(shí),轉(zhuǎn)換效率低,使用壽命短。半導(dǎo)體發(fā)光器件,如砷化鎵發(fā)光二極管,還可以在范圍內(nèi)工作,所發(fā)光的峰值波長為,與硅光敏三極管的峰值波長接近,所以,有很高的轉(zhuǎn)換效率,同樣有比較快的響應(yīng)速度。


2、光柵付

由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵相互重疊,但又不徹底重合。兩者柵線間會(huì)分開一個(gè)很小的夾角,便于于得到莫爾條紋。一般來說主光柵是活動(dòng)的,它還可以單獨(dú)地移動(dòng),也能夠隨被測物體而移動(dòng),其長短關(guān)鍵在于測量范圍。指示光柵相對(duì)于光電器件而固定。


3、通光孔

通光孔是發(fā)光體與受光體的通路,一般來說為條形狀,其長短由受光體的排列長短決定,總寬由受光體的高低決定。它是帖在指示光柵板上的。


4、受光元件

受光元件是用于感知主光柵在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生莫爾條紋的移動(dòng),進(jìn)而精確測量位移量。在挑選光敏元件時(shí),要考慮到靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、光譜特性、可靠性、體積等因素。


三、光柵式傳感器的應(yīng)用

在地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用

在地震檢測等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中,地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險(xiǎn)性的估定和預(yù)測是非常復(fù)雜的,而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動(dòng)性及其關(guān)鍵活動(dòng)范圍演變的最有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面?;顒?dòng)區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種,靜態(tài)應(yīng)變(包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等)一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離,而以震源的震波為代表的動(dòng)態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測到。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或火山源的位置,更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況,需要使用密集排列的應(yīng)力-應(yīng)變測量儀。光纖光柵傳感器是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器,符合地震檢測等的要求,因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用途。有報(bào)道指出,光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率為0.1Hz~2Hz,大小為10-9 e的巖石和地表動(dòng)態(tài)應(yīng)變。


在航天器及船舶中的應(yīng)用

先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好,而且可以減輕船體或航天器的重量,對(duì)于快速航運(yùn)或飛行具有重要意義,因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機(jī)的機(jī)翼)。


為全面衡量船體的狀況,需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力,普通船體大約需要100個(gè)傳感器,因此波長復(fù)用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測量船體的彎曲應(yīng)力,而且可測量海浪對(duì)濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量。


另外,為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng),起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度情況,通常需要100多個(gè)傳感器,故傳感器的重量要盡量輕,尺寸盡量小,因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外,實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變,嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測量的理想智能元件。


在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等來說,通過測量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布,可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及狀況,方便進(jìn)行維護(hù)和狀況監(jiān)測。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中,對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測等,還以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外,多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測,并通過計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。


光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時(shí),一組光纖光柵被粘于橋梁復(fù)合筋的表面,或在梁的表面開一個(gè)小凹槽,使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽中(便于防護(hù))。如果需要更加完善的保護(hù),則最好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復(fù)合筋。同時(shí),為了修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變,可使用應(yīng)力和溫度分開的傳感臂,并在每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。


兩個(gè)具有相同中心波長的光纖光柵代替法布里-珀*涉儀的反射鏡,形成全光纖法布里-珀*涉儀(FFPI),利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化,這一方法實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量。用FFPI結(jié)合另外兩個(gè)FBG,其中一個(gè)光柵用來測應(yīng)變,另一個(gè)被保護(hù)起來(免受應(yīng)力影響),以測量和修正溫度效應(yīng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三個(gè)量的測量:溫度、靜態(tài)應(yīng)變、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn),在5me的測量范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了小于 1me的靜態(tài)應(yīng)變測量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度。


在電力工業(yè)中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實(shí)現(xiàn)長距離低損耗傳輸,從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。


在電力工業(yè)中,電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化,電壓變化可使壓電陶瓷(PZT)產(chǎn)生形變,而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移,很容易得知其形變,進(jìn)而測知電流強(qiáng)度。這是一種較為廉價(jià)的方法,并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外,由大雪等對(duì)電線施加的過量的壓力可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)事件,因此在線檢測電線壓力非常重要,特別是對(duì)于那些不易檢測到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測電線的載重量,其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化,這一應(yīng)力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測量的實(shí)例,在這種情況下,相鄰光柵的間距較大,故不需快速調(diào)制和解調(diào)。


在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器,它對(duì)許多內(nèi)科手術(shù)是不適用的,尤其是在高微波(輻射)頻率、超聲波場或激光輻射的過高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應(yīng),這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。近年來,使用高頻電流、微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來越受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注,而且傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常重要的,因?yàn)樾〉某叽鐚?duì)人體組織的傷害較小,而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳感器。它能夠通過最小限度的侵害方式測量人體組織內(nèi)部的溫度、壓力、聲波場的精確局部信息。到目前為止,光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場,在30℃~60℃的范圍內(nèi),獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量結(jié)果,而超聲場的測量分辨率為10-3atm/Hz1/2,這為研究病變組織提供了有用的信息。


光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中,醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房,并注射人一種冷溶液,可測量肺動(dòng)脈血液的溫度,結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量,這對(duì)于心臟監(jiān)測是非常重要的。


在化學(xué)傳感中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感,因?yàn)楣鈻诺闹行牟ㄩL隨折射率的變化而變化,而光柵間倏失波的相互作用以及環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的濃度變化都會(huì)引起折射率的變化。


長周期光柵(long period fiber grating,LPFG)與布拉格光纖光柵一樣,也是由光纖軸上產(chǎn)生周期性的折射率調(diào)制而形成,其周期一般大于100μm。它的耦合機(jī)理是:向前傳輸?shù)睦w芯基模被耦合入幾個(gè)特定波長的向前傳輸?shù)陌鼘幽#鼘幽:芸鞊p失掉,所以LPFG基本上沒有后向反射,在其透射譜中有幾個(gè)特定波長的吸收峰。LPFG對(duì)光纖包層材料折射率的變化比上述的光纖布拉格光柵更為敏感,包層材料折射率的任何變化都會(huì)改變傳輸光譜的特性,使吸收峰發(fā)生改變,所以長周期光柵折射率測量系統(tǒng)的分辨率可實(shí)現(xiàn)10-7的靈敏度。目前已經(jīng)用長周期光柵測出了許多化學(xué)物質(zhì)的濃度,包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等,原則上,任何具有吸收峰譜并且其折射率在1.3和1.45之間的化學(xué)物質(zhì)都可用長周期光柵進(jìn)行探測。


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