光纖光柵傳感器的研究與應(yīng)用
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當(dāng)作用于光纖光柵的被測(cè)物理量(如溫度、應(yīng)力等)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起n和A的相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致λB的漂移；反過(guò)來(lái)，通過(guò)檢測(cè)λB的漂移。也可得知被測(cè)物理量的信息。Bragg光纖光柵傳感器的研究主要集中在溫度和應(yīng)力的準(zhǔn)分布式測(cè)量上。溫度和應(yīng)力的變化所引起的λB漂移可表示為：
式中，ε為應(yīng)力，P[i，j]為光壓系數(shù)，v為橫向變型系數(shù)(泊松比)，α為熱脹系數(shù)，△T為溫度變化量。一般情況下， (2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]／2因子的典型值為0．22，可以推導(dǎo)出常溫和常應(yīng)力條件下的FBG溫度和應(yīng)力相應(yīng)條件值為：
利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。如通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量。
1．3 長(zhǎng)周期光纖光柵
長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大于100μm，是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一分支。長(zhǎng)周期光柵的透射峰波長(zhǎng)主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關(guān)，其相位匹配條件可表示為：
式中。Λ為光柵周期，*****分別為纖芯和包層的折射率。*****為第P階包層模的透射波長(zhǎng)。當(dāng)光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時(shí)，被測(cè)因素的變化將對(duì)光纖的傳輸特性進(jìn)行調(diào)制，從而使LPG的透射譜特性發(fā)生變化。這樣，探測(cè)出LPG透射譜線的變化，即可推知被測(cè)變量的變化，這就是LPG傳感的基本原理。
1．4 分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)
目前，除光纖光柵型傳感器的原理性研究之外，分布式光纖傳感系統(tǒng)也是一個(gè)重要的研究重點(diǎn)。分布式FBG傳感系統(tǒng)是在一根光纖中串接多個(gè)FBG傳感器，每個(gè)光柵的工作波長(zhǎng)相互分開(kāi)，在經(jīng)過(guò)3 dB耦合器取出反射后，再用波長(zhǎng)探測(cè)解調(diào)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多個(gè)光柵的波長(zhǎng)偏移進(jìn)行測(cè)量，從而檢測(cè)出相應(yīng)被測(cè)量的大小和空間分布。
分布式光纖傳感系統(tǒng)是一種傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以從整體上對(duì)被測(cè)對(duì)象的有關(guān)物理量的變化時(shí)間、位置進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)對(duì)分布式光纖傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的結(jié)合，可形成一個(gè)智能結(jié)構(gòu)。目前，分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有拉曼型、布里淵型和FBG型三種類型。
2 溫度和應(yīng)變交叉敏感分離技術(shù)
實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長(zhǎng)矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法、溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法和光強(qiáng)測(cè)溫法等幾種技術(shù)。
2．1 雙波長(zhǎng)矩陣法
雙波長(zhǎng)矩陣法是出現(xiàn)較早而且目前應(yīng)用較為廣泛的一種方案。其基本思想是通過(guò)一定方式在一個(gè)傳感頭中獲得兩個(gè)不同的布拉格波長(zhǎng)，并通過(guò)檢測(cè)這兩個(gè)布拉格波長(zhǎng)的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度不敏感測(cè)量或應(yīng)變及溫度的同時(shí)測(cè)量。如果λ1、λ2同時(shí)對(duì)兩被測(cè)量比較敏感。且波長(zhǎng)漂移隨溫度和應(yīng)變的變化為線性，溫度和應(yīng)變變化獨(dú)立或只有微弱擾動(dòng)，則由下式可得：
式中，kTi為布拉格波長(zhǎng)的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它與光纖泊松比、彈光系數(shù)和纖芯有效折射率有關(guān)；kTi為布拉格波長(zhǎng)的溫度靈敏系數(shù)，它與熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)。目前，雙波長(zhǎng)矩陣法在溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量方面主要有參考光柵法、雙波長(zhǎng)重疊FBG法和雙直徑FBG法等。
2．2 雙參量矩陣法
雙參量矩陣法是運(yùn)用各種方法將溫度和應(yīng)力對(duì)同一光波的影響分別作用于該光波的不同參量上，然后推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和溫度的區(qū)分測(cè)量。近年來(lái)，有許多方法基于這一思想的交叉敏感問(wèn)題解決方案。如混合FBG／長(zhǎng)周期光柵法、二次諧波法、超結(jié)構(gòu)光柵法等。
2．3 溫度參考光柵法
該方法是選用2個(gè)相同參數(shù)的FBG對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，是用兩個(gè)相互相鄰且中心波長(zhǎng)相同的FBG組成一個(gè)傳感探頭，其中FBGl的長(zhǎng)度L1大于FBG2的長(zhǎng)度L2，為了區(qū)分兩光柵的反射信號(hào)，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。
評(píng)論