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1、第六讲第六讲第六讲第六讲 光纤光栅传感应用技术光纤光栅传感应用技术光纤光栅传感应用技术光纤光栅传感应用技术光纤传感原理光纤传感原理 温度传感应用温度传感应用 应力传感应力传感 内容小结内容小结1 1北京交大光信息所北京交大光信息所温度传感应用温度传感应用1nn 温度传感原理温度传感原理温度传感原理温度传感原理温度传感原理温度传感原理热光系数热膨胀系数2 2北京交大光信息所北京交大光信息所 一般=5.510-7K-1；=70010-6K-1如果光纤光栅的Bragg波长为l550nm，请计算光纤光栅的温度灵敏度光纤光栅的温度灵敏度为光纤光栅的温度灵敏度为0.0117nm/0.0117nm/，一般，
2、一般取取0.01nm/0.01nm/ 。3 3北京交大光信息所北京交大光信息所光纤光栅的温度系数较小，单独用它做温度传感元件，光纤光栅的温度系数较小，单独用它做温度传感元件，光纤光栅的温度系数较小，单独用它做温度传感元件，光纤光栅的温度系数较小，单独用它做温度传感元件，灵敏度不高。为此，通常将光栅粘贴于热膨胀系数很大灵敏度不高。为此，通常将光栅粘贴于热膨胀系数很大灵敏度不高。为此，通常将光栅粘贴于热膨胀系数很大灵敏度不高。为此，通常将光栅粘贴于热膨胀系数很大的基底材料上。的基底材料上。的基底材料上。的基底材料上。若基底材料热膨胀系数若基底材料热膨胀系数若基底材料热膨胀系数若基底材料热膨胀系数
3、subsub, , , ,则：则：则：则：弹光系数4 4北京交大光信息所北京交大光信息所nn 温度传感应用温度传感应用温度传感应用温度传感应用温度传感应用温度传感应用裸光纤光栅的温度特性裸光纤光栅的温度特性裸光纤光栅的温度特性裸光纤光栅的温度特性温度系数较小，温度系数较小，温度系数较小，温度系数较小，灵敏度低。灵敏度低。灵敏度低。灵敏度低。线性度好线性度好线性度好线性度好5 5北京交大光信息所北京交大光信息所光纤光栅的温度传感器光纤光栅的温度传感器光纤光栅的温度传感器光纤光栅的温度传感器n n实际应用的光栅都是封装在热膨胀系数很大的基底材料中实际应用的光栅都是封装在热膨胀系数很大的基底材料中实
4、际应用的光栅都是封装在热膨胀系数很大的基底材料中实际应用的光栅都是封装在热膨胀系数很大的基底材料中封封装装1 16 6北京交大光信息所北京交大光信息所 这种普通的温度增敏方法完全依靠基底材料的热伸这种普通的温度增敏方法完全依靠基底材料的热伸缩系数来提高传感器的灵敏度，一旦材料选定，传缩系数来提高传感器的灵敏度，一旦材料选定，传感器的灵敏度也就确定，要想再提高传感器的灵敏感器的灵敏度也就确定，要想再提高传感器的灵敏度只有选择更高热伸缩系数的材料。因而增敏作用度只有选择更高热伸缩系数的材料。因而增敏作用有限。有限。7 7北京交大光信息所北京交大光信息所n n进一步改变封装结构，提高增敏效果进一步改
5、变封装结构，提高增敏效果进一步改变封装结构，提高增敏效果进一步改变封装结构，提高增敏效果封封装装2 2金属套管和石英管在右端采用环氧胶单端固定，石英管的左金属套管和石英管在右端采用环氧胶单端固定，石英管的左端不与金属管粘贴，处于自由状态；光纤光栅一端固定在金端不与金属管粘贴，处于自由状态；光纤光栅一端固定在金属套管的左端，另一端固定在石英管的左端。这样，当金属属套管的左端，另一端固定在石英管的左端。这样，当金属套管受热膨胀时，其右端拉动石英套管的右端，而石英套管套管受热膨胀时，其右端拉动石英套管的右端，而石英套管的左端又带动光纤光栅的右端使光栅伸长，从而改变光栅波的左端又带动光纤光栅的右端使光
6、栅伸长，从而改变光栅波长的移动。长的移动。8 8北京交大光信息所北京交大光信息所 设金属套管的热伸缩系数为设金属套管的热伸缩系数为a1a1，石英管的热伸缩系数为，石英管的热伸缩系数为a2a2，光纤光，光纤光栅的热伸缩系数为栅的热伸缩系数为a a，则在温度变化，则在温度变化T T 时由结构伸缩引起的光纤时由结构伸缩引起的光纤光栅的应变为光栅的应变为光纤光栅传感器的应变传感机理光纤光栅传感器的应变传感机理增敏作用在光纤光栅上后引起的波长变化为9 9北京交大光信息所北京交大光信息所u 在提高温度传感器的灵敏度时，一方面可以通过增大两种基底材料的热伸缩系数差；另一方面，在两种基底材料选定或材料的可选伸
7、缩系数有限的情况下，可以通过改变增敏结构即增大ld的比值来提高传感器的灵敏度。这样，增敏系数就不完全依赖于基底材料，通过调整结构同样可以实现灵敏度的提高。同时由热光效应和弹性效应引起的光纤光栅本身的波长变化:1010北京交大光信息所北京交大光信息所金属套管选用铝套，长度为l+d=40 mm，热伸缩系数为a1=2310-6/K；石英管长度为l=12 mm，热伸缩系数为a2=5.510-7/K，光纤光栅两固定端的距离为d=28mm，选用在常温25时的工作波长为1551.07 nm的光栅。计算得结构增敏后的光栅温度传感器的理论灵敏度为0.0506nm/。下图是对结构增敏方法的实验结果，传感器增敏后的
8、灵敏度为0.0503nm/ ，与实际理论计算值十分接近，其增敏效果是不采用增敏效果的方法的5倍，是采用基底增敏方法的1.3倍。1111北京交大光信息所北京交大光信息所n 对采用3种不同增敏方法的结果比较，可以看出：裸光纤光栅的温度灵敏度最低，采用基底增敏的次之，而结构增敏方式的灵敏度最高。1212北京交大光信息所北京交大光信息所应力传感应力传感2n nn 原理原理原理原理原理原理BraggBraggBraggBragg波长相对偏移量与其轴向应变之间的关系：波长相对偏移量与其轴向应变之间的关系：波长相对偏移量与其轴向应变之间的关系：波长相对偏移量与其轴向应变之间的关系：l l一阶近似一阶近似一阶
9、近似一阶近似仅考虑微应变的影响，则：仅考虑微应变的影响，则：仅考虑微应变的影响，则：仅考虑微应变的影响，则：1313北京交大光信息所北京交大光信息所l l二阶近似公式二阶近似公式二阶近似公式二阶近似公式u 分别表示一阶应变和二阶应变灵敏度1414北京交大光信息所北京交大光信息所l l一阶应变灵敏度一阶应变灵敏度一阶应变灵敏度一阶应变灵敏度l l一阶应变灵敏度一阶应变灵敏度一阶应变灵敏度一阶应变灵敏度1515北京交大光信息所北京交大光信息所 对纯熔融石英光纤，P11=0.121，P12=0.270， =0.17，neff=1.456，计算得有效弹光系数Pe =0.216，因此，一阶应变灵敏度为0
10、.784，二阶应变灵敏度为0.708。中心波长相对变化量为：n 当光纤光栅应变在一5000一5000范围内变化时，上式第二项量值非常小，最大值仅为8.8510-6，是第一项的0.226。因而在工程上，应变和中心波长相对偏移量之间的关系可以看作是线性关系。即使应变值达到最大值10000tn，忽略第二项所引入的误差也仅为551o，同样可以认为应变和中心波长相对偏移量之间是线性关系。1616北京交大光信息所北京交大光信息所nn 压力传感应用压力传感应用压力传感应用压力传感应用压力传感应用压力传感应用裸光纤光栅的应力特性裸光纤光栅的应力特性裸光纤光栅的应力特性裸光纤光栅的应力特性0-70MPa0-70
11、MPa0-70MPa0-70MPa，波长漂，波长漂，波长漂，波长漂移仅移仅移仅移仅0.22nm;0.22nm;0.22nm;0.22nm;应力系数较小，应力系数较小，应力系数较小，应力系数较小，灵敏度低。灵敏度低。灵敏度低。灵敏度低。1717北京交大光信息所北京交大光信息所光纤光栅的压力传感器光纤光栅的压力传感器光纤光栅的压力传感器光纤光栅的压力传感器n n实际应用的光栅都是封装在弹性系数很大的基底材料或一实际应用的光栅都是封装在弹性系数很大的基底材料或一实际应用的光栅都是封装在弹性系数很大的基底材料或一实际应用的光栅都是封装在弹性系数很大的基底材料或一定的应力放大机构中定的应力放大机构中定的
12、应力放大机构中定的应力放大机构中结结构构1 1悬臂梁为一端固定，另一端自由的弹性梁。将光纤光栅粘贴在矩形弹性梁的上表面，紧紧靠近固定端根部。如图所示，设梁的长度为L，厚度为h。1818北京交大光信息所北京交大光信息所l 轴向应变与自由端位移f的关系为：l 自由端位移f与波长变化的关系：1919北京交大光信息所北京交大光信息所l 光纤Bragg光栅应变传感及解调装置l 实验结果：2020北京交大光信息所北京交大光信息所l 实际应用： 光纤Bragg光栅被预制在一混凝土悬臂梁的上或下表面内 由激光二极管(SLD)，波长850nm，谱宽24nm，功率114w，发出的光波被3dB耦合器耦合进光纤光栅中
13、，与Bragg光栅光波长相一致的光被反射耦合进入多模光纤(芯径5Onm)，被测信号到Michelson干涉后进行信号处理。2121北京交大光信息所北京交大光信息所结结构构2 2根据材料力学，单悬梁的自由端在载荷的作用下，自由端既产生挠度，又产生转角，而且抗扭能力差。而对于上图的双悬梁结构，梁端部在载荷的作用下，其端部将近似产生平动，并且抗扭刚度显著大幅度提高，梁截弯矩较同尺寸单悬臂梁增大一倍。 双悬梁的光纤光栅压力传感双悬梁的光纤光栅压力传感2222北京交大光信息所北京交大光信息所l 梁的自由端施加载荷P时，引起梁的自由端面发生的最大应变为：u 梁的厚度为a，宽度为b，长度为L，h(远大于梁的
14、厚度a)为梁间距。l 光栅中心波长随应力变化而产生的变化为：2323北京交大光信息所北京交大光信息所实实验验装装置置实实验验结结果果2424北京交大光信息所北京交大光信息所n 在0300 g范围内，光纤Bragg光栅应力响应灵敏度达到0.05 nmN，且光纤Bragg光栅应力响应特性较好，线性拟合度达到了0.9996，测量误差小重复实验，压力响应趋势基本保持不变，重复性较好，通过改变双悬梁的厚度、长度和弹性模量，则可以大幅度提高梁表面的应变值，从而进一步提高应力响应灵敏度实验结论实验结论2525北京交大光信息所北京交大光信息所v 光纤光栅对温度和应力同时敏感，这一问题严重困扰着光纤光栅传感器在
15、传感领域中的应用。v 克服光纤光栅对温度和应力交叉敏感的方案主要有： 重叠写入不同周期布拉格光栅， 采用不同聚合物封装光纤光栅， 使用温度补偿的光纤光栅组合 长周期 FBG组合等以实现对温度和应力的区分测量。 温度补偿光纤光栅应力传感测量技术温度补偿光纤光栅应力传感测量技术2626北京交大光信息所北京交大光信息所结结构构3 3v 一种新的温度补偿光纤光栅传感器应力测量方案，是将单个光纤布拉格光栅粘贴在应力分布不同的悬臂梁上。由于应力分布不同而使光纤光栅反射波长产生的两个反射峰的情况进行研究，证明两个反射峰之间的距离与应力的变化呈线性关系，而温度不影响光栅反射峰之间距离。利用这种效应，可以制成温
16、度补偿的光纤光栅传感器，实现对应力(或压力)单参量的测量。悬臂梁由铝合金材料制成光纤光栅用高强度粘接剂粘贴于悬臂梁上表面2727北京交大光信息所北京交大光信息所l 自由端载荷G引起的梁上考察点X0处的应变为: I为X0处截面的惯性矩l 粘贴在不同区域的一个光纤光栅受到不同应力，光纤光栅的两部分分别产生应变1和2，引起整个栅距变化及光纤有效折射率变化不同，导致光纤光栅出现两个反射峰，并且这两个反射峰中心波长随应力和温度变化产生漂移。2828北京交大光信息所北京交大光信息所l 两个反射峰中心波长之间距离随温度和载荷的变化为: l 温度变化会导致两个反射峰同时移动，但由于整个光纤光栅是粘贴于同一种材
17、料即铝合金基底上，热膨胀系数相同，所以温度改变时光纤光栅两个反射峰之间距离保持不变，实现了对温度的补偿。2929北京交大光信息所北京交大光信息所实实验验装装置置实实验验结结果果3030北京交大光信息所北京交大光信息所内容小结内容小结3n n 光纤光栅温度传感的原理与应用技术；光纤光栅温度传感的原理与应用技术；n n 光纤光栅压力传感原理及其应用；光纤光栅压力传感原理及其应用；n n 光纤光栅传感中的压力温度共生问题。光纤光栅传感中的压力温度共生问题。课外作业课外作业教材教材P65P65：1-201-20，1-211-21，1-231-23。3131北京交大光信息所北京交大光信息所3232北京交大光信息所北京交大光信息所
