光纖光柵傳感器，光纖傳感器設(shè)計(jì)

來(lái)源：整理時(shí)間：2023-08-31 12:32:07 編輯：智能門(mén)戶(hù) 手機(jī)版

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1，光纖傳感器設(shè)計(jì)
2，光纖光柵傳感器的特點(diǎn)
3，光纖光柵傳感器怎么測(cè)應(yīng)變
4，光纖光柵的作用與原理
5，光纖光柵傳感器的簡(jiǎn)介
6，光纖光柵傳感器

1，光纖傳感器設(shè)計(jì)

光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)源，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵的形變導(dǎo)致的光波波長(zhǎng)位移來(lái)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變溫度等等，光纖傳感器是利用光波被外界環(huán)境調(diào)制引起參數(shù)變化，比如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、頻率、相位等，光纖光柵傳感器應(yīng)該是光纖傳感器中的一種。

光纖傳感器設(shè)計(jì)

2，光纖光柵傳感器的特點(diǎn)

(1)抗電磁干擾:一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁干擾的影響。(2)電絕緣性能好，安全可靠:光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無(wú)需電源驅(qū)動(dòng)，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。(3)耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定:由于制作光纖的材料一石英具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。(4)體積小、重量輕，幾何形狀可塑。(5)傳輸損耗小:可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。(6)傳輸容量大:可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。(7)測(cè)量范圍廣:可測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。

光纖光柵傳感器的特點(diǎn)

3，光纖光柵傳感器怎么測(cè)應(yīng)變

光有傳感器不行吧，還要有解調(diào)儀、熔接機(jī)等等。布拉格光柵是利用物體變形引起貼（焊）在上面的光柵傳感器波長(zhǎng)變化來(lái)測(cè)應(yīng)變的，有現(xiàn)成的光纖光柵應(yīng)變片。如果你只是一根裸光柵的話(huà)直接把光柵用502貼在被測(cè)物的表面就行了，還要有個(gè)做為溫度傳感器用，貼在不受力的同等材料上，來(lái)補(bǔ)償?shù)魷囟茸兓鸬膽?yīng)變。現(xiàn)成的傳感器有的是自補(bǔ)償?shù)?，不需要溫度補(bǔ)償。

光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。由于光纖光柵與光纖之間天然的兼容性，很容易將多個(gè)光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上構(gòu)成光纖光柵陣列，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式傳感，加上光纖光柵具有普通光纖的許多優(yōu)點(diǎn)外，且本身的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制，測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗不受光源功率波動(dòng)和系統(tǒng)損耗影響的特點(diǎn)

光纖光柵傳感器怎么測(cè)應(yīng)變

4，光纖光柵的作用與原理

光柵是指用特殊加工手段（如激光雕刻）對(duì)光纖進(jìn)行加工后使其只能反射一段特定波長(zhǎng)（如1392nm）的光纖，其它波長(zhǎng)的光任然可以通過(guò)。作用主要應(yīng)用在光柵傳感器上，原理是：當(dāng)光纖光柵周?chē)沫h(huán)境（如溫度、應(yīng)力）等發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)此光柵反射的特定波長(zhǎng)隨之發(fā)生改變，儀器檢測(cè)到這種改變后依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型解調(diào)出有用的信息。延伸閱讀：參見(jiàn)布拉格光柵、瑞麗散射、拉曼光纖等光纖的相關(guān)知識(shí)。

當(dāng)布拉格光柵被寫(xiě)入到光纖中后，應(yīng)變或溫度的改變可以使光柵折射率改變，影響某一帶寬內(nèi)的反射波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)解調(diào)儀處理器的檢測(cè)與轉(zhuǎn)換，把光譜信息變?yōu)榭梢暤膽?yīng)變或溫度信息。這個(gè)作用就被制作成為光纖光柵傳感器。其主要原理就是光在光纖內(nèi)的傳播特性，光纖光柵就是良好的提煉了某一些特性。

光纖光柵傳感器的核心就是不同封裝形式的布拉格光纖光柵。FBG（布拉格光纖光柵）會(huì)隨著外部變化（比如應(yīng)變或溫度）而變化，經(jīng)過(guò)此光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)就會(huì)隨之改變，通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀的調(diào)制，可以把這種光譜的變化轉(zhuǎn)化為實(shí)際的應(yīng)變或溫度測(cè)量值。詳細(xì)資料可以參考Smart Fibres公司的傳感器和解調(diào)儀產(chǎn)品

光纖光柵是利用光纖的光敏性在紫外光照射下產(chǎn)生光致折射率變化，在纖芯上形成周期性的折射率分布，從而可以對(duì)入射光中相位匹配的頻率產(chǎn)生相干反射，形成中心反射峰。根據(jù)耦合模理論，寬帶光在光纖bragg光柵中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生模式耦合，由光纖光柵的布拉格方程可知其中心波長(zhǎng)λb可表示為[13-14]：（1）式中，λb為fbg的中心波長(zhǎng)，也就是反射波的波長(zhǎng)；λ為光柵周期；neff為纖芯的有效折射率。希望有幫助啊

5，光纖光柵傳感器的簡(jiǎn)介

光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提。通過(guò)一定的技術(shù)來(lái)測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量。這些技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過(guò)確定2個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。區(qū)分測(cè)量技術(shù)大體可分為兩類(lèi)，即，多光纖光柵測(cè)量和單光纖光柵測(cè)量。多光纖光柵測(cè)量主要包括混合FBG/長(zhǎng)周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵/F-P腔集成復(fù)用法、雙FBG重疊寫(xiě)入法。各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。FBG/LPG法解調(diào)簡(jiǎn)單，但很難保證測(cè)量的是同一點(diǎn)，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測(cè)量位置，提高了測(cè)量精度，但光柵強(qiáng)度低，信號(hào)解調(diào)困難。光纖光柵/F-P腔集成復(fù)用法傳感器溫度穩(wěn)定性好、體積小、測(cè)量精度高，精度可達(dá)20×10-6，1℃，但F-P的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)困難，信號(hào)解調(diào)復(fù)雜。雙FBG重疊寫(xiě)入法精度較高，但是，光柵寫(xiě)入困難，信號(hào)解調(diào)也比較復(fù)雜。單光纖光柵測(cè)量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預(yù)制應(yīng)變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機(jī)物對(duì)溫度和應(yīng)力的響應(yīng)不同增加光纖光柵對(duì)溫度或應(yīng)力靈敏度，克服交叉敏感效應(yīng)。這種方法的制作簡(jiǎn)單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫(xiě)于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應(yīng)靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實(shí)現(xiàn)區(qū)分測(cè)量。這種方法解調(diào)簡(jiǎn)單，且解調(diào)為波長(zhǎng)編碼避免了應(yīng)力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測(cè)量范圍偏小等問(wèn)題。預(yù)制應(yīng)變法是首先給光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)變，在預(yù)應(yīng)變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應(yīng)力釋放后，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復(fù)，其中心反射波長(zhǎng)不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢復(fù)，從而導(dǎo)致了這部分光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)改變，因此，這個(gè)光纖光柵有2個(gè)反射峰，一個(gè)反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對(duì)應(yīng)變和溫度都敏感；另一個(gè)反射峰（未粘貼部分）只對(duì)溫度敏感，通過(guò)測(cè)量這2個(gè)反射峰的波長(zhǎng)漂移可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。

6，光纖光柵傳感器

TGW光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的原理光纖光柵是TGW光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的核心部件之一，它是利用光纖芯層材料的光敏特性，通過(guò)紫外準(zhǔn)分子激光器采用掩模曝光的方法使一段光纖約8mm光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性改變，折射率的改變呈周期性分布，形成布喇格光柵結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1 光纖光柵原理示意圖光纖芯層原來(lái)的折射率為n2，被紫外光照射過(guò)的部分的折射率變?yōu)閚2，折射率的分布周期d就是光纖光柵的柵距；當(dāng)寬帶光通過(guò)光纖光柵時(shí)，滿(mǎn)足布喇格條件的波長(zhǎng)被光柵反射回來(lái)，其余波長(zhǎng)的光透射，反射光波長(zhǎng)隨光柵柵距d的改變而改變。由于光柵柵距d對(duì)環(huán)境溫度非常敏感，因此，通過(guò)檢測(cè)反射波長(zhǎng)的變化可以計(jì)算出環(huán)境溫度的改變量。反射光波長(zhǎng)的改變量通過(guò)信號(hào)處理器來(lái)檢測(cè)，它是TGW系統(tǒng)中的另外一個(gè)核心部件。TGW系統(tǒng)中的信號(hào)處理器采用可調(diào)法布里－珀羅腔技術(shù)進(jìn)行波長(zhǎng)檢測(cè)。當(dāng)信號(hào)處理器檢測(cè)到光纖光柵的反射波長(zhǎng)出現(xiàn)異常，它會(huì)發(fā)送報(bào)警信號(hào)給火災(zāi)報(bào)警控制器，火災(zāi)報(bào)警控制器再發(fā)出采取措施的信號(hào)，如圖2所示。圖2 火災(zāi)報(bào)警信號(hào)傳輸示意圖在傳統(tǒng)的光纖光柵系統(tǒng)中，如圖3（a）所示，由于光柵的反射光具有一定帶寬（其3 dB帶寬一般為0.2 nm），而光纖光柵的復(fù)用方式為波分復(fù)用，因此，在光源帶寬的限制下，傳感器探頭的復(fù)用數(shù)量非常有限，一般只有15-30個(gè)左右，不能滿(mǎn)足隧道的應(yīng)用需求。圖3（a）傳統(tǒng)復(fù)用方法示意圖圖3（b）混合復(fù)用方法示意圖武漢理工光科股份有限公司的TGW光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將傳統(tǒng)波分復(fù)用技術(shù)和全同光纖光柵復(fù)用技術(shù)結(jié)合，使用波分復(fù)用與全同光纖光柵混合復(fù)用方法，解決了隧道火災(zāi)報(bào)警的難題。隧道的火災(zāi)監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)中，按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范，要進(jìn)行防火分區(qū)的劃分，一般50-100米為一個(gè)防火分區(qū)，這個(gè)區(qū)域某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處發(fā)生火災(zāi)，整個(gè)區(qū)域的火警系統(tǒng)必須啟動(dòng)。波分復(fù)用與全同光纖光柵混合復(fù)用的方法如圖3（b）所示，系統(tǒng)將隧道分為多個(gè)防火分區(qū)，不同防火分區(qū)以全同光柵的波長(zhǎng)?1,?2…?n進(jìn)行區(qū)分，每個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)度為50－100米。?1,?2…?n中每一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的防火分區(qū)內(nèi)有許多監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同一防火分區(qū)的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用全同光柵，通常100米的監(jiān)測(cè)區(qū)布設(shè)10～15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的光纖光柵的反射波長(zhǎng)都等于該區(qū)域的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。如果系統(tǒng)檢測(cè)到?i波長(zhǎng)產(chǎn)生了移動(dòng)，就表明它所監(jiān)測(cè)的防火分區(qū)的溫度發(fā)生了變化，若溫度變化超過(guò)了設(shè)定值，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警。通過(guò)這種混合復(fù)用的方法，大大增加了系統(tǒng)的測(cè)量距離和測(cè)量點(diǎn)數(shù)，使之能夠應(yīng)用到長(zhǎng)距離的隧道工程中去。

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫(xiě)入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿(mǎn)足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)透過(guò)光纖光柵繼續(xù)傳輸,反射波長(zhǎng)和光柵周期的關(guān)系如下：λ= 2 nΛ 其中n為光纖芯的折射率。Λ為光柵的周期。圖1. 光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本原理圖 1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次從接錯(cuò)光纖中觀(guān)察到了光子誘導(dǎo)光柵?，F(xiàn)在一般采用高強(qiáng)度紫外光源通過(guò)Phase Mask所形成的干涉條紋對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光以在該光纖芯中產(chǎn)生折射率從而調(diào)制或相位光柵。當(dāng)光纖光柵受應(yīng)變和周?chē)臏囟劝l(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期Λ和有效纖芯折射率neff產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號(hào)的波長(zhǎng)漂移B ，通過(guò)監(jiān)測(cè)Bragg波長(zhǎng)B 的變化情況，即可獲得測(cè)點(diǎn)上光纖光柵的應(yīng)變和周?chē)鷾囟鹊淖兓癄顩r。光纖光柵波長(zhǎng)漂移B與應(yīng)變和溫度變化的關(guān)系如下：其中，第一項(xiàng)代表光纖的應(yīng)變效應(yīng)，第二項(xiàng)表示溫度對(duì)光纖的影響。在1550 nm波長(zhǎng)，典型的應(yīng)變敏感系數(shù)為;溫度敏感系數(shù)為。所以，光纖光柵Bragg波長(zhǎng)的變化與應(yīng)變或環(huán)境溫度的變化呈線(xiàn)性變化關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)光纖光柵Bragg波長(zhǎng)，就可以測(cè)得應(yīng)變或環(huán)境溫度。在工程應(yīng)用中一般采用合適應(yīng)用的方法，用環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行封裝，外加保護(hù)封裝進(jìn)行保護(hù)，從而形成光纖光柵光纖傳感器。由于光纖光柵（FBG）只能對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行反射，反射波長(zhǎng)的變化需要通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀來(lái)測(cè)量，一般需要對(duì)多個(gè)光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量，也就是說(shuō)要進(jìn)行波分復(fù)用，將多個(gè)光纖光柵（FBG）的串接、每個(gè)光纖光柵（FBG）對(duì)于一個(gè)中心波長(zhǎng)，在保證測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，各個(gè)光纖光柵（FBG)的波長(zhǎng)之間不重疊，這樣通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀（FBG Interrogator）實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光纖光柵傳感器的反射波長(zhǎng)的測(cè)量，從而轉(zhuǎn)化成壓力或應(yīng)變的數(shù)據(jù)。來(lái)自于杭州玨光科技

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光纖光柵傳感器，光纖傳感器設(shè)計(jì)

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1，光纖傳感器設(shè)計(jì)

2，光纖光柵傳感器的特點(diǎn)

3，光纖光柵傳感器怎么測(cè)應(yīng)變

4，光纖光柵的作用與原理

5，光纖光柵傳感器的簡(jiǎn)介

6，光纖光柵傳感器

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光纖光柵傳感器，光纖傳感器設(shè)計(jì)

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1，光纖傳感器設(shè)計(jì)

2，光纖光柵傳感器的特點(diǎn)

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