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一布拉格光纤光栅原理
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一布拉格光纤光栅原理
布拉格光纤光栅(FBG)是一种使用激烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。
UVBeam--紫外线激光束;
FBGRegion--布拉格光纤光栅地域;
FibreCore--光纤中心;
FBGperiodΛ--布拉格光纤光栅周期;
FibreCladding--光纤覆层;
Polymerfibrecoating--聚合物光纤涂层
短波长紫外线光子拥有足够的能量打破高坚固度的氧化硅粘结料,破坏光纤的结构并稍微增
加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉,会使紫外线光产生激烈的空间周
期性变化,从而以致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤地域形成的光
栅会变为一个波长选择镜像:光沿着光纤往下贱传并在每个微小变化处发生反射,但这些反射会
在大多数波长上产生破坏性的干涉,并沿着光纤连续流传。可是,在某个特定的窄带波长范围内,
会产生合用的干涉,这些干涉会沿着光纤返回。
布拉格波长λΒ由下式决定:
λΒ=2neffΛ...........(1)
这里,neff为激光在光纤内流传的有效折射率;Λ为布拉格光栅的周期。
从等式(1)能够看出,反射波长λΒ会遇到光栅地域的物理或机械特色的变化的影响。比方,
因为弹光效应,,因为热光效应,温度的变化会以致neff
的改变;对于非拘束光纤,Λ会遇到热膨胀和热缩短的影响,如等式(2)所示。此中,等式右
边的第一项描述应变对λΒ的影响,第二项描述温度对λΒ的影响。
ΔλΒ=λΒ(1-ρα)Δε+λΒ(α+ξ)T.......(2)
式中,ΔλΒ为布拉格波长的变化,ρα,α和ξ分别表示弹光系数、热膨胀系数和热光系
数,Δε表示应变的变化,T表示温度的变化。对于刻录在二氧化硅上波长为λB≈1550nm的
典型光栅,。
特别重要的是,等式(2)的两项条件是独立的,这意味着布拉格光纤光栅(FBG)可通
过将光纤与应变间隔,从而进行温度的丈量;而拥有温度赔偿的应变丈量可在温度确立的情况下
进行,这类温度的确定平时本源于另一种应变间隔式布拉格光纤光栅(FBG)。
布拉格光纤光栅(FBG)除了可用于应变和温度丈量外,还可经过植入换能器,用于压力、加
速度、位移等丈量。SmartFibres公司不仅生产FBG传感器和换能器,还研发生产用于照耀光
纤以及调制解调布拉格反射的设备。
变化
·可使用一种倾斜滤光片(能够是另一种布拉格光栅)直接将波长变化变换为光强变化。假如此滤
光片随波长变化的透光比已知,那么,单模光栅上反射的窄带波长可经过丈量和比较穿过和阻截的光
波的强度即可确立。对于拥有以下左以以下图所示的透射谱的滤光器,当布拉格波长从λ
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1增添到λ2时,
减少的透射强度及反射或阻截的光波强度Ir会相应地增添。这是对布拉格光纤光栅进行解调的最简
单和最低价的方式,但最大的弊端是它一次只好解调一个光栅。
使用无源滤波器对布拉格光纤光栅进行解调,波长变化(左图)转变为光强的变化(右图)
●可使用一种倾斜滤光片(能够是另一种布拉格光栅)直接将波长变化变换为光强变化。假如
此滤光片随波长变化的透光比已知,那么,经过丈量并比较穿过和阻截的光波的强度即可确立单
模光栅上反射的窄带波长。对于拥好像左以以下图所示的透射谱的滤光器,当布拉格波长从λ1增添
到λ2时,减少的透射强度及反射或阻截的光波强度Ir会相应地增添。这是对布拉格光纤光栅进
行解调的最简单和最低价的方式,但最大的弊端是它一次只好解调一个光栅。
●广泛使用的方法是经过一个窄带可调光源照耀布拉格光纤光栅,这个是SmartFibres公司当前
产品的根本。此方法在“波分复用”章节进一步进行介绍。
☆波分复用(WDM)
波分复用(WDM)的原理很简单:多个光栅构成一个单模光纤而且每个光栅拥有不一样样的布拉格波长,在实质操作过程中,经过以下两种方法实现:
◇使用一宽带光源和一分光计进行检测。
◇使用一敏捷可调光源或一波长经过扫描后的光源和一简单的光敏二极管检测器。
SmartFibres公司的调制解调单元使用后一种方法,右图所示的为此方法的工作原理表示图。
波分复用设备工作原理表示图
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解说:a)光源,b)扫描滤波器,c)扫描发生器,d)1-4通道的耦合网络,栅阵列,f)光电检测器,g)办理器,h)通道4上的检测器的时间变化,时间
e)布拉格光纤光
ti转变为布拉格
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波长λλi
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扫描发生器用于调理光源,
将光源在光纤上流传的任何给定波长范围内进行扫射。
当此波长与布
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拉格光纤光栅(
FBG)的布拉格波长一致时,光会沿着光纤反射至光电探测器。同时,扫描发生
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器将计时信号供应给办理器,让办理器将光强
vs
时间信息变换成光谱信息。办理器后续会进行
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办理以鉴别此光谱的峰值,找出它们的峰值地点并将其变换为应变或温度。
☆时分复用(TDM)
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时分复用(
TDM)系统采纳宽带脉冲光源并经过光源从光栅的返回信号到达检测器所需
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的时间来区分不一样样的光栅。与调制解调单元距离小的光栅处的脉冲比间距大的先接收到。以以下图所示的为与调制解调单元有不一样样间距l的布拉格光栅阵列。从距离为li的布拉格光纤光栅返回的脉
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冲所需的时间
ti
由下式决定:
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ti=2lic/n
式中,
c为光在真空中流传的速度,
n为光纤的折射率。
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确立阵列中光栅的地点后,可使用如前所述的无缘倾斜滤波器来确立每个脉冲在其到来时的波长。自然,也可使用高速分光计。
时分复用(TDM)设备的工作原理表示图。顶部:来自光源(a)的脉冲穿过耦合器(b)(此耦合器也连接到检测器(c)),传输至包括布拉格光栅(e)的光栅;底部:光源在t0时辰传出的脉冲在与调制解调单元间距为l1,l2和l3布拉格光栅反射,并分别在t1,t2和t3时辰返回。公司在成立之初就定位为致力于供应最高性价比的可调或扫描波分复用(WDM)技SmartFibres
术。
基于布拉格光纤光栅(FBG)的传感器相对于传统的电子传感器技术拥有很多重要优势:
合用于严格环境
布拉格光纤光栅传感器完满无源,没有使用任何电子元件。因此,它们能够工作在从低温到几百度的高温的极端温度下,并可在电子传感器及仪表没法工作的地方长久工作。抗电磁搅乱
布拉格光纤光栅传感器的无源特色的另一个好处就是它们不遇到静电、电磁及无线电频率源的搅乱。因此
它们能够安装在发电站等拥有严重电子噪声的场所。其余,因为无源,实质上它们是100%安全的,它可用于大多数危险爆破环境。
远程感觉光纤是一个效率特别高的信号载体。因此,电子调制解调单元可安装在距传感器地点几十千米的
地方。而传统电子应变丈量系统需要合适放大以防范噪声淹没信号。对于监测油井、提高柱、管道或地道
等长距离、偏僻建筑结构,此特色拥有特有和巨大的好处。光学传感器没有引线的影响,因为布拉格光纤
光栅传感系统的被丈量为波长,它不遇到信号衰减的影响,因此远端的传感器信号在沿着较长光纤传输的
过程中不能够能发生错误。
长久坚固性
布拉格光纤光栅传感器的另一个长处是其对于远程监控拥有长久的坚固性。作为无源传感器,布拉格光纤光栅拥有零漂移的特色,因此能够使用很多年而不需要重新标定。将传感器安装在结构上,此后连接到调
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制解调设备,每隔几年收集一次数据,即可获取结构自前一次读数后的真实动作情况。因为一个调制解调单元可用于很多结构,这大大增添了这项科技的经济优势。
微小尺寸
刻录布拉格光栅的光纤特别小,。因此,很多传感器可应用于特别小扰动的结构。特别地,光纤传感器阵列能够嵌入复合资料,用于检测内部应变、温度和伤害,而不影响复合资料的结构性能。
内嵌光纤传感器的夹层碳纤维面板断面的放大图
复用技术
一条光纤能够刻入很多布拉格光栅,而一台多通道解调设备又可同时解调几百条光纤。与每个传感器都需
有一个专有通道的技术比较,使用波分复用技术可大大降低密集安装设备的价格。其余,光纤比电缆更小、更轻,且能够复用,因此大规模的布拉格光纤光栅传感器可安装于因电缆的重量和体积所限而没法安装的
特定应用。
疲备长久性
经过对内嵌光纤传感器的碳化纤维试样进行测试发现,在经过100万次疲备加载后,内嵌光纤传感器不会发
生疲备或联合破坏。今后我们还会在玻璃纤维资料进步行测试,以证明嵌于风轮机叶片内的光纤传感器的寿命可达到叶片25年的自己使用寿命。对于表面安装的应用,光纤更不简单发生联合破坏,与多数电子传感器技术比较,对湿度和化学药品拥有更强的适应能力。
安装简单且开销低价
试想一下安装很多传统电子应变传感器的情况:每个传感器需要黏合到待测结构上,此后将黏合焊盘与每个需要黏合的传感器关系起来;此后需要在现场将每个传感器与其连接的焊盘焊接起来;此后需要在现场将电缆焊接到全部的焊盘上并将电缆捋顺、固定连接到一系列仪器上;最后,在丈量开始以前,需要对全部传感器连接的电桥进行调平。
比较较而言,使用布拉格光纤光栅应变传感器,只需黏结极少的光纤到结构上,将它们连接到一个布拉格光纤光栅调制解调仪上,仅按一个按钮即可获取应变阵列的读数,用作后续读书的参照值。
记着,仪器的安装需要技术人员,而将仪器安装在特定结构上是困难和昂贵的。不言而喻,经过安装光纤所节约的开销和时间是特别可观的。
SmartFibres公司致力于研究开宣告拉格光纤光栅已有多年,并已针对各种结构的安装开发出一些解决方
案。
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