光纤光栅传感技术的应用与研究

摘要光纤光栅传感技术是十多年来发展最为迅速的技术之一,具有损耗低、可远程测量、柔软易挠曲、耐腐蚀、抗电磁干扰、易于复用组网等一系列优点,而且适合于在易燃、易爆、高温、高压、强电磁干扰等恶劣的环境中工作,是目前传感器领域研究的一个热点,简要地阐述光纤传感器的工作原理, 概述光纤传感器的实际应用。

关键词光纤光栅;传感器;原理;应用实例

中图分类号 TP2文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0146-01

自从1978年发明在光纤中形成光致布拉格光栅以来,光纤光栅在光纤通信和传感中已得到大量应用。其主要的优点包括:体积小、耐高温、轻巧隐蔽,可以把它置于很小的空间,甚至嵌入到复合材料中:抗电磁干扰、耐化学腐蚀、传输带宽宽、传输损耗小。因此,光纤光栅传感器特别适合于对民用市政工程,航天器、飞机、轮船、矿业、制造业生产线、管道设施和核电厂等进行安全监测和自动控制.光纤光栅传感器可以探测多种物理量,如温度、应变、压力和电磁场等回。

本文简要地阐述了光纤光栅传感器的工作原理,概述了光纤光栅传感器的实际应用,着重给出了光纤光栅传感器的应用实例。

1光纤光栅传感原理

由光纤光栅传感器构成的测量系统的测量原理是利用光纤光栅传感器对应力应变的敏感作用,将被测应力应变物理量直接变成光学量进行测量,或者说变应力应变测量为光波波长的测量,由此带来一系列的优点,如:全光测量,在监测现场无电气设备,不受电磁及核辐射干扰;无零点漂移问题,长期稳定;以反射光的中心波长表征被测物理量,不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响;系统安装及长期使用过程中无需定标;使用寿命长等。这些优点可以解决电学量应力应变系统存在的固有问题。

光纤是光导纤维的简称,它是工作在光波波段的一种介质波导,通常是圆柱形。它把以光出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内,并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的基本结构是两层圆柱状媒质,内层为纤芯,外层为包层;纤芯的折射率n1,比包层的折射率n2稍大,当满足一定的入射条件时,光波就能沿着纤芯向前传播。光纤光栅传感的原理如图1所示。

当带宽光源照射光纤光栅时,满足布拉格条件的光将发生反射,即:

式中,为光纤光栅的中心反射波长;为纤芯的有效折射率;为光栅的周期。从方程(1)可以看出任何能够改变光栅有效折射率或光栅周期的物理量都能改变光栅中心波长。应变(或应力)和温度是最能直接显著改变布拉格光栅波长的物理量。其引起的光纤光栅布拉格波长的漂移可表示为:

式中,为光纤布拉格光栅轴向应变;为温度变化量;为有效弹光系数;、分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数。

2光纤光栅传感器的应用实例

2.1光纤光栅传感器的应用概述

一些类型的光纤光栅传感器已经商业化,虽然其在性能和功能方面还需要不断提高,但可以说光纤光栅传感技术己开始向成熟阶段。本文分两个部分介绍光纤光栅传感器在民用工程结构和航天器中的应用实例。

2.2民用工程结构中的应用

民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。

目前,应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。 2003年8月,上海紫珊光电技术有限公司宣布其自主研发的光纤光栅传感器成功应用于上海卢浦大桥的动态应变测量,并获得了准确可靠的数据,卢浦大桥于2003年6月建设完工,全长3400m,主桥长750m,主桥巨型钢跨径550m,成为 世界上跨度最大的钢结构拱桥。

2.3航空航天业中的应用

美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视,他们在航天飞机X-33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络,对航天飞机进行实时的健康监测。X-33是一架原型机,设计用来作“国际空间站”的往返飞行。

3结束语

随着光纤传感技术的飞速发展,光纤光栅传感器还在其他领域得到了应用,并且在许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、更可靠、更准确。总之,光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域,有着非常广阔的发展前景。

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