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物理量(如溫度、應(yīng)力等)發(fā)生變化時，會引起n和A的相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致λB的漂移；反過來，通過檢測λB的漂移。也可得知被測物理量的信息。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)對磁場的直接測量。如通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實(shí)現(xiàn)對電場等物理量的間接測量。
1．3 長周期光纖光柵
長周期光纖光柵(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。長周期光柵的透射峰波長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。當(dāng)光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時，被測因素的變化將對光纖的傳輸特性進(jìn)行調(diào)制，從而使LPG的透射譜特性發(fā)生變化。這樣，探測出LPG透射譜線的變化，即可推知被測變量的變化，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FBG傳感器，每個光柵的工作波長相互分開，在經(jīng)過3 dB耦合器取出反射后，再用波長探測解調(diào)系統(tǒng)同時對多個光柵的波長偏移進(jìn)行測量，從而檢測出相應(yīng)被測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)，它可以從整體上對被測對象的有關(guān)物理量的變化時間、位置進(jìn)行監(jiān)控。通過對分布式光纖傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、信號處理系統(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)變和溫度同時測量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長矩陣法、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)測溫法等幾種技術(shù)。
2．1 雙波長矩陣法
雙波長矩陣法是出現(xiàn)較早而且目前應(yīng)用較為廣泛的一種方案。其基本思想是通過一定方式在一個傳感頭中獲得兩個不同的布拉格波長，并通過檢測這兩個布拉格波長的位移來實(shí)現(xiàn)溫度不敏感測量或應(yīng)變及溫度的同時測量。如果λ1、λ2同時對兩被測量比較敏感。且波長漂移隨溫度和應(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，則由下式可得：
式中，kTi為布拉格波長的應(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，雙波長矩陣法在溫度和應(yīng)力區(qū)分測量方面主要有參考光柵法、雙波長重疊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)出對應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和溫度的區(qū)分測量。近年來，有許多方法基于這一思想的交叉敏感問題解決方案。如混合FBG／長周期光柵法、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個相同參數(shù)的FBG對同一測量點(diǎn)進(jìn)行測量，是用兩個相互相鄰且中心波長相同的FBG組成一個傳感探頭，其中FBGl的長度L1大于FBG2的長度L2，為了區(qū)分兩光柵的反射信號，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。
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