光纤光栅应变传感器二维应变测量方法
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光纤光栅应变传感器二维应变测量方法
作者：李金娟
来源：《无线互联科技》2015年第02期
摘要：文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤
光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。
关键词：光纤光栅；电阻应变片；应变；直角应变花
光纤光栅应变花进行二维平面应力测量是通过三个光纤光栅的中心波长的变化来测定应变的，电阻应变片应变花测出的应变值对光纤光栅中心波长进行标定。所以粘贴时尽可能保证光纤光栅与对应的电阻应变片的测量方位一致。
1 实验台的准备
由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量，所以不能使用一般的等强度梁，而是用一个十字架形结构，实际上也是一种等强度梁，不过这种装置有两个等强度梁，分别作为十字架的X轴向和Y轴向，用来施加压力，如图1所示。
这是实验的被测表面的俯视图，表面是由我们用一块马口铁皮做成的。实验时在X轴、Y 轴方向分别悬挂砝码盘。砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮，铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化，因此为了保证试验的效果，光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。
2 光纤光栅的制备
实验台准备好后重要的是制备光纤光栅，本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅，串联成直角应变花来测试动态应力的变化，因而需制备3只不同波长的光纤光栅。由于实验条件的限制，试验室中只有两块相位掩模板，在实验室中只能制备两只光纤光栅，另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。三只光纤光栅的波长位置分别在：1532nm，1544nm，1548nm处附近。
根据实验条件，组建一个光纤光栅制作系统，制作方法采用目前最有效，也是最流行的相位掩模法，其实验系统如图2所示。
本实验用光纤，是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理（在室温下，压强为107Pa
的容器中，载氢两周左右），使得普通通信光纤的光敏性大大增加，达到写制光栅的要求。实验所用的光谱分析仪为国产AV6361，分辨率选择0.2nm，宽带光源使用LED。
光纤光栅传感器的应用
光纤光栅传感器的应用 一、光纤光栅传感器的优势 与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点: (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好; (2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; (3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作; (4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感; (5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力; (6) 高灵敏度、高分辩力。 正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。 光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。 二、光纤光栅的传感应用 1、土木及水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。 力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。
应变传感器
光纤应变传感器 20401033 李永成 目前已经能够利用光纤传感器对材料的应力、应变、温度、固化度、振动、损伤与断裂等开展进行实时的监测。在美国等发达国家,研制出了诸如灵巧蒙皮(SmartSkin)之类的智能结构和材料它在航空航天领域的应用极大的提高了空间飞行器的性能。因此,光纤传感器研究有着诱人的前景。在材料的诸多参数中,利用嵌入式光纤传感器对其应变监测的研究进行的最为充分,发展出多种方法,大体可分干涉型、模式型、偏振型和光强型四种。 1干涉型传感器(InterferometricSensors) 外界应变的作用可使在光纤中传输的光的相位发生变化,干涉型光纤传感器就是通过监测输出信号的相位变化来监测复合材料应变的。它又包括Mach-Zender干涉法、法布里—珀罗干涉法和布拉格光栅法。 1.1Mach-Zender干涉法 下图为Mach-Zender干涉传感器的基本结构。从光源发出的光经耦合器A等量的进入长度相等的参考光纤和测量光纤,然后再经耦合器B输向探测器,由探测器输出信号。工作时,将测量光纤嵌入复合材料,当复合材料发生应变时,测量光纤随之发生变形,从而使通过测量光纤的光程发生变化,在耦合器B处,参考光纤与测量光纤之间由于存在相位差而发生干涉,由探测器将干涉信号输出,通过监测输出的干涉信号就可监测复合材料的内部应变。 1.2法布里—珀罗干涉法(FPI) 1.2.1 法布里－珀罗干仪原理 光纤法布里珀罗干涉腔是在一段光纤的两个端面上由所镀的反射面形成。光射入光纤法布里珀罗干涉腔后光的反射与折射的情况如下图所示两个反射面的反射率分别为r1和r2,设r1=r2腔长为d,并假设R1=R2=R=r2,则入射光经过多次反射和折射后透射光强和反射光强为 位相φ的表达式为: φ=4πnd/λ(3)
光纤光栅传感器的应用
光纤光栅传感器的应用 光纤布拉格光栅传感器的应用 1。光纤光栅传感器 的优点与传统传感器相比，光纤光栅传感器有其独特的优点:(1)传感头结构简单，体积小，重量轻，形状可变，适合嵌入大型结构中，能够测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和重复性； (2)与光纤自然兼容，易于与光纤连接，损耗低，光谱特性好，可靠性高； (3)不导电，对被测介质影响小，具有耐腐蚀和抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境下工作； (4)轻便灵活，可在一根光纤中写入多个光栅组成传感阵列，结合波分复用和时分复用系统实现分布式传感； (5)测量信息为波长编码，因此光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗以及光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强。 (6)高灵敏度和分辨率 正是因为它的许多优点。近年来，光纤光栅传感器已经广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源和化工等领域。 光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力和应变的情况下，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有前途的集成在材料内部的传感器，作为监测材料和结构的
载荷和检测其损伤的传感器。 2，光纤光栅的传感应用 1，在土木和水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域 力学参数的测量对于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康监测非常重要。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和健康状况。光纤布拉格光栅传感器可以预先附着在结构表面或嵌入结构中，同时对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测，监测结构的缺陷。 另外，多个光纤光栅传感器可以串联成传感网络，对结构进行准分布式检测，传感信号可以由计算机远程控制 (1)在桥梁安全监测中的应用目前，光纤光栅传感器应用最广泛的领域是桥梁安全监测 斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊杆、系杆拱桥的系杆是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固系统，如用于结构加固的锚索和锚杆，也是关键受力构件上述受力构件的应力大小和分布变化最直接地反映了结构的健康状况，因此监测这些构件的应力状态并以此为基础进行安全分析和评价具有重要意义。加拿大卡尔加里附近的 199贝丁顿小道桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993)。16个光纤光栅传感器连接到预应力混凝土支撑的钢筋和碳纤维复合材料钢筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不
光纤光栅应变传感器实验讲义
实验光纤布拉格光栅（FBG ）应变实验研究 【实验目的】 1) 了解光纤光栅传感器基本原理及FBG 应变测量的基本公式。 2) 了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。 3) 学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。 【实验原理】 1.光纤光栅传感器的基本原理及FBG 应变测量的基本公式 光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating, FBG ）用于传感测量技术，主要是通过外界物理量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息，因此它是一种波长调制型的光纤传感器。FBG 传感原理如图1所示。 图1中，当一束入射光波进入FBG 时，根据光纤光栅模式耦合理论，当满足满足相位 匹配条件时，反射光波即为FBG 的布喇格波长λB ，λB 与有效折射率n eff 和光栅周期Λ的关系为 Λ2eff B n =λ（1) 由式(1)可以知：n eff 与Λ的改变均会引起光纤光栅波长的改变，而且n eff 与Λ的改变与应变和温度有关。应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响n eff ，通过长度改变和热膨胀效应影响周期Λ，进而使λB 发生移动。将耦合波长λB 视为温度T 和应变ε的函数，略去高次项，则由应变和温度波动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为 Λ ?+?Λ=?eff eff B 22n n λ (2) I λ I 输入光波 反射光波 透射光波 图1 FBG 传感原理示意图
由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量?λ对轴向应变?ε和环境温度变化?T 比较敏感。通过测量FBG 中心波长的变化，就可测量外界物理量的变化值（如应变、温度等）。 光纤光栅轴向应变测量的一般公式为 ()ελλe B Bz 1p -=?，也是裸光纤光栅轴向应变测量的计 算公式。由上式可知，?λBz 和ε存在线性关系，因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移量?λ，就可以确定被测量ε的变化。 2. 飞机驾驶杆弹性元件的力学特性 杆力传感器弹性元件采用平行梁形式，其结构如图2所示。弹性元件由互相交叉90°的两对关联平行梁组成一个测力悬杆，其中一组感受纵向作用力，另一组感受横向作用力，上下部分连为一体，增加了梁的刚度，提高了梁的固有频率并具有良好的散热条件。对其中每一方向作用力，由于其侧向刚度大，于是侧向负载能力强，与施加力平行的一对平行梁轴向应变可以忽略不计，外加力主要使与作用方向垂直的一对平行梁变形。 杆力传感器弹性元件为方框平行梁结构，为便于分析和简化计算，将方框平行梁简化为 一超静定刚架，力学模型如图3(a)所示。 因为刚架计算通常忽略轴力对变形的影响，力学模型又可进一步简化为一个反对称载 荷作用的刚架，简化后的力学模型如图3(b)所示，其中P=1/2P 0。将受反对称载荷作用的刚 架沿水平对称轴截开，这时垂直梁的截面上有三对内力力，即一对剪力X 、一对轴力N 、一对弯矩M ，多余约束力如图3(c)所示。根据结构力学反对称结构对称的外力为零的理论，因 图2弹性元件结构简图 (纵向) ) 图3简化后的模型 (a)超静定刚架结构 P 0 h (c) 多余未知力图 P P (b) 简化后力学模型 P P a
常见光纤光栅传感器工作原理
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
光纤光栅应变传感器二维应变测量方法
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/591790886.html, 光纤光栅应变传感器二维应变测量方法 作者：李金娟 来源：《无线互联科技》2015年第02期 摘要：文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤 光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。 关键词：光纤光栅；电阻应变片；应变；直角应变花 光纤光栅应变花进行二维平面应力测量是通过三个光纤光栅的中心波长的变化来测定应变的，电阻应变片应变花测出的应变值对光纤光栅中心波长进行标定。所以粘贴时尽可能保证光纤光栅与对应的电阻应变片的测量方位一致。 1 实验台的准备 由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量，所以不能使用一般的等强度梁，而是用一个十字架形结构，实际上也是一种等强度梁，不过这种装置有两个等强度梁，分别作为十字架的X轴向和Y轴向，用来施加压力，如图1所示。 这是实验的被测表面的俯视图，表面是由我们用一块马口铁皮做成的。实验时在X轴、Y 轴方向分别悬挂砝码盘。砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮，铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化，因此为了保证试验的效果，光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。 2 光纤光栅的制备 实验台准备好后重要的是制备光纤光栅，本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅，串联成直角应变花来测试动态应力的变化，因而需制备3只不同波长的光纤光栅。由于实验条件的限制，试验室中只有两块相位掩模板，在实验室中只能制备两只光纤光栅，另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。三只光纤光栅的波长位置分别在：1532nm，1544nm，1548nm处附近。 根据实验条件，组建一个光纤光栅制作系统，制作方法采用目前最有效，也是最流行的相位掩模法，其实验系统如图2所示。 本实验用光纤，是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理（在室温下，压强为107Pa 的容器中，载氢两周左右），使得普通通信光纤的光敏性大大增加，达到写制光栅的要求。实验所用的光谱分析仪为国产AV6361，分辨率选择0.2nm，宽带光源使用LED。
光纤光栅压力传感器
The research of FBG pressure sensing on the application of engineering ABSTRACT Fiber grating is one of the most rapid passive optical fiber components in recent years. Since 1978, the year when K.O.Hill and others first used the standing wave writing way in the germanium-doped fiber and make the world's first fiber grating, because of its’ many unique advantages, the use of the fiber grating in optical fiber communications Fields and fiber optic sensor Fields are broad prospected. With fiber grating manufacturing technology continues to improve, and the outcome of the application increasing, the fiber grating has been one of the most promising and representative optical passive components. The emergence of fiber grating makes many of the complex all-fiber communications and sensor networks possible, which greatly widened the scope of application of optical fiber technology. As sensor component, fiber grating also possesses other special functions. For example, high ability of resisting electromagnetism disturb, small size and weight, high temperature-proof, high ability of multiplex, being liable to connect with fiber, low loss, good spectrum characteristic, erosion-proof, high sensitivity, being liable to deform and so on. At present, the sensor that adopts FBG (fiber Bragg grating) as sensor components has become the main stream of development and cultivation. Pressure is the direct cause of the drifting of the Bragg wavelength of the grating, so research on the FBG pressure sensing character in-depth is important to the FBG sensing technology. The design is on the basis of understanding of FBG sensing elements; explore the using of FBG pressure character, so research on the FBG pressure sensing character in-depth is important to the FBG sensing technology. Bring forward a package project that can be used and the text.
光纤光栅传感器及其发展趋势
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
光纤分布式应变和温度传感器(DSTS)
特性 ? 双端或单端监测 ? 使用标准通信单模光纤 ? 优秀的空间分辨率和监测长度? 可选多通道监测 性能表现 ? 0.1米(BOTDA)/1米(BOTDR)空间分辨率? 160km (BOTDA)/ 70km (BOTDR)最大监测距离 产品介绍 运用光纤中的布里渊散射现象，OZ 光学公司提供了精湛的ForeSight?系列分布式传感器系统用于测量光纤的应变和温度变化。安装含有标准通信单模光纤的传感光缆后，用户可以发现何时、何地待测物体的应变或温度发生了改变，并能够帮助用户在故障发生前及时应对。OZ 提供最新二合一机型，可以同时实现BOTDA （Brillouin Optical Time Domain Analyzer ）和BOTDR （Brillouin Optical Time Domain Re ? ectometer ）。如果光纤线路出现故障，比如断纤，这台设备可以从BOTDA 模式切换到BOTDR 模式，并继续测量从设备到断点区间的应变或温度变化。 光纤分布式应变和温度传感器 （DSTS ） BOTDA/BOTDR combo 机型 二合一机型 BOTDR 机型 BOTDA 机型 图片：3U 光电模块配笔记本电脑
油气管线泄漏监测油气井监测 反应塔生产效率监测 大坝监测结构健康监测
高速公路安全监测 ? 当使用恰当的传感光缆并安装后，实现高速公路内部温 度、应变监测 ? 高速公路沉降监测 ? 单通道最大100公里监测长度 地质灾害监测 光缆质量检测海底电缆监测 ? 缆线寿命范围内长期质量、状态监测 ? 可以只使用一根光纤 ? 光纤线路上无需额外器件 电力架空线监测
光纤光栅应力传感器工作原理
四、光纤光栅应力传感器工作原理 光纤光栅技术是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构，导致某一特定波长光的反射，从而形成光纤光栅的反射谱。光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。反射光的波长对温度、应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时时, 光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力和应变的感测。其工作原理如图1 图1给出了光纤光栅应力传感器与波长解调仪组成的应力测量系统。它主要 由四个部分组成，第一部分为宽带光源，第二部分为光纤光栅应力传感器， 光纤光栅传感测量系统由四个部分组成，第一部分为宽带光源，第二部分为光纤光栅应力传感器，第三部分为基于可调F-P 滤波器的波长解调仪，第四部分为计算机及软件分析处理系统。图中给出等间隔分布多个光纤光栅应力传感器，这些光纤光栅通常要进行串接。由宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB 耦合器传输到串接的传感光栅上，经过这些光纤光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3dB 耦合器由波长解调仪接收，经过波长解调仪对这些波长进行识别，得到一组应力传感信息，当边坡内部应力发生变化时，通过光栅解调器检测出波长的变化即应力变化，之后输入到计算机进行数据分析处理，最后得到边坡受到压力的分布状况，根据监测对象内部变化情况，判断是否会产生塌方，起到报警作用。 计算机 波长解调仪 宽带光源 耦合器 光纤光栅应力传感器 图1测量系统光路示意图 光隔离器 扫描电压 抖动信号 可调F-P 滤波器 混合器 LP 滤波器
光纤传感器系统在土工结构的静动应变测量上的应用
为了确定土工结构的稳定性、安全性和寿命，智能测量系统能传递可靠、精确的相关数量的信息，比如应变、应力、温度和化学性质。在施工过程和长期的运行控制中，需要用最佳的技术进行监测。 近年来，光纤传感器已被用于恶劣环境下的岩土和土木工程监测的方案中。由于它尺寸紧凑，能被设计成集成结构系统，所以被称为“智能型传感器”。以下是3个成功的土工结构应用实例：1）在准静力循环加载过程中的大直径混凝土钻孔灌注桩的原位应变监测；2）用于钻孔应变测量时所安装在测斜管的永久性记录仪；3）用于实验室的岩石力学性能试验的布拉格光栅光纤应变传感 器。 本文概述了各种情形下研发的测试技术，并把试验结果与参照传感器作了性能比较。讨论了新技术的优势和在岩土工程中潜在的巨大需求。1 布拉格光纤光栅技术在应变和温度传感器系统中的应用 布拉格光纤光栅（FBG ）是本征传感器元件，用UV 激光刻写在光纤上。通常波长约为245nm 。这个敏感元件包含一个空间频率为Λ，且折射率为n 的周期调制的纤维芯。当特征波长为λB 时，光栅是一个选择性很强的谱反射器： λB =2n Λ （1） 光纤传感器系统在土工结构的 静动应变测量上的应用 何晖译，姚诗伟校 （中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032） 摘要：评估了光纤传感器作为完整的结构部件在恶劣的环境条件下，进行长期或短期应变监测的可行性。不同的规模和材料的土工试验过程中已经使用了光纤传感器。实例研究包括静力轴向的钻孔桩测试、钻孔测斜、试验室的单轴压缩测试。 关键词：布拉格光纤光栅；钻孔桩应变监测；钻孔测斜；应变测量中图分类号：TU 433 文献标志码：B 文章编号：1002-4972（2010）05-0065-05 Fiber optic sensor systems for static and dynamic strain measurements of geotechnical structures HE Hui,YAO Shi-wei (CCCC Shanghai Harbour Engineering Design &Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China) Abstract:We assess the feasibility of fiber optic sensors as structurally integrated components for short and long -term strain monitoring under rough environmental conditions.Geotechnical testing procedures at different scales and in various materials have been carried out with these sensors.Case studies include a static axial borepile test,borehole inclinometer measurements,and uniaxial compression tests at laboratory scale. Key words:fiber Bragg grating;strain monitoring of a bored pile;bole hole inclinometer measurements; downhole strain measurement 收稿日期：2009-11-10 作者简介：何晖(1978—)，女，助理工程师，从事科技信息及翻译工作。 2010年5月 第5期总第441期May 2010 No.5Serial No.441 水运工程 Port &Waterway Engineering
光纤光栅应变传感器产品及监测实例
光纤光栅应变监测 监测原理 光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论， Λ=n B 2λ的波长就被光纤光栅所反射回去（其中λ B 为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周 期，n 为纤芯的有效折射率）。 图1 光纤光栅的结构 反射的中心波长信号λB ，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n 有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。当布喇格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力。 性能指标
主要特点 ★可靠性好、抗干扰能力强 ★ 测量精度高 ★ 分布式测量，测量点多，测量范围大。 ★ 传感头结构简单、尺寸小 ★ 抗电磁干扰、抗腐蚀、适于恶劣的化学环境 下工作。 ★ 系统安装使用过程中无需定标，使用寿命可 达25年以上，适用于长期监测。 应用领域 航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等 工程实例
采用光纤监测混凝土大管桩在施工过程中的应变结果分析 舟山万邦永跃船舶修造有限公司30万吨级舾装码头船坞应变监测 徐州矿务局张双楼煤矿主通风井冻法施工安全监测 内蒙古多伦电厂桩基静载测试 马来西亚宾城跨海大桥桩基承载力检测 深表土冻结外井壁光纤应力实测分析 监测点布置总体原则 为掌握竖井壁变形动态，并在今后继续发挥其安全预警作用，应布设较为全面完整的多方位监测体系，从而最大限度的发挥光纤光栅传感器的功能，经初步分析，井壁可能的变形主要包括：井壁受周围粘土挤压产生应变；应变引起井壁相对位移（井壁收敛）；深度不同引起叠加位移等，另外因采用冻法施工，井壁壁后温度也是影响作业面及支护初期安全的重要要素，这些要素很有可能成为护壁破坏失稳、发生恶性事故的诱发条件。综上述，竖井监测系统设计的总体原则是： 采用多层、多向监测的方法，在关键点（层）布置光纤应变、温度传感器，监测内容包括：井壁应变监测、壁后温度监测。 现场工况较为潮湿，施工线路较多，监测设备应具有很好的防水、防电磁干扰性能； 现场采集数据难度大，应采用微机室内实时采集的方式（数据采集中心）； 做好充足施工前准备工作，保证设备安装迅速，准确，不影响现场正常施工。 监测内容的确定 （1）应变监测：计划3层，分别位于170.0m、195.0m、220.0m（根据实际支模板时按照施工工艺做适当调整），每层布设监测点5个。监测点布置图见附图一，可与业主协商增加或减少监测层数、点数。 （2）温度监测：计划3层，分别位于170.0m、195.0m、220.0m（根据实际支模板时按照施工工艺做适当调整），每层布设监测点5个(与应变传感器处于同一位置靠外侧)。 （3）安装应变传感器时应考虑每层至少1个为竖井纵向方向安置。 （4）施工过程中可根据监测数据分析结果调整各阶段监测内容。 监测周期的确定 从前述本监测项目任务可以看到，本监测项目数据采集部分分为两个阶段，一为竖井开挖粘土层施工过程中的监测，二为粘土层通过后的监测。在施工过程中，为了做到全面掌握
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监 测中的应用 姓名：朱少波 学号：U201115536 班级：电气中英1101班 2015年1月23日星期五
摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成 为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。 关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测 1.引言 重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。 然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感技术随着光通信技术的发展应运而生，尤其是光纤光栅的出现不仅给光纤传感技术，而且给相关领域带来了一次里程碑式的革命[1]，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型智能传感器[2]。与传统的各类传感器相比光纤光栅传感器具有以下优点[3]： 1)抗电磁干扰，电绝缘，本质安全 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这一特性使其在高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能有效的传感。 2)耐腐蚀 由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，承受环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于结构的长期健康监测。 3)测量精度高 光纤传感器采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的皮米量级，对应温度监测中0.1℃与应变监测中1με。光测量及波长调制技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 4)测量对象广泛
基于高阶模干涉的光纤应变传感器_李恩邦
基于高阶模干涉的光纤应变传感器** 李恩邦** (天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072) 摘要:介绍一种利用光纤内的高阶模干涉原理实现对应变测量的新型光纤应变传感器。在采用相同光纤的条件下,该应变传感器具有与光纤布拉格光栅(FBG)相反符号的应变系数,其温度灵敏度与FBG传感器相同,而应变灵敏度约为FBG传感器的2倍,非常适合与FBG结合实现应变与温度的同时测量,并具有结构简单、制作方便和成本低等特点。 关键词:应变;光纤模间干涉;光纤传感 中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:1005-0086(2007)09-1055-03 A n O ptic Fiber S train Sensor Based on In terferen ce of Higher-ord er Mod es LI En-bang** (College of Precision Instrument and Optoelectroni cs Engineer i ng,T ianjin U niversity,T ianjin300072,China) A bs tra ct:This paper reports on a novel optic-fiber strai n sensor.It has been demonstrated that by uti li zing the i nterference of higher-order modes in a segment of multimod e fi ber,an opti c-fiber strain sensor can be https://www.wendangku.net/doc/591790886.html,pared with the most popularly used strain sensor based on fiber Bragg grating(FBG)technology,the prop osed strain sensor has an almost doub-led strain sensitivity wi th an opposite sign.The temperature sensitivity of the strai n sensor descri bed in this paper is as same as that of FBG strai n sensors.Therefore,the proposed strain sensor can be used wi th F B G sensors for simultaneous strain and temperature measurements.Other features i nclude an extremely simple structure an d low cost. Key words:strain;modal interference;optical fiber sensing 1引言 目前,使用最广泛的光纤应变传感器主要是基于光纤布拉格光栅(FBG)技术[1~3]。作为一种全光纤器件,FBG已被广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器除具有光纤传感的共同特点外,还可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点,因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作用。FBG对温度和应变有交叉敏感性,在实际应用中需要采用特殊技术将应变与温度分离[4]。常用的方法是使用2个具有不同应变与温度系数的FBG[5],在测得2个传感器的布拉格波长的变化后,通过计算同时得到被测应变与温度值[6~8]。采用具有不同直径或不同材料的光纤制作的FBG可以实现上述应变与温度分离方法。然而,实际应用中,无论是改变光纤直径还是使用不同材料的光纤都会对FBG制作以及与其它光纤器件的熔接带来困难。 本文将介绍一种新型光纤应变传感器,它利用光纤内的高阶模干涉的原理实现对应变的测量。在采用相同光纤的条件下,该应变传感器具有与FBG相反符号的应变系数,其温度灵敏度与FBG传感器相同,而应变灵敏度约为FBG传感器的2倍。非常适合与FBG结合实现应变与温度的同时测量,并具有结构简单、制作方便和成本低等特点。 2传感原理 如图1所示,如果将一段多模光纤(MMF)与一单模光纤(SMF)无偏心对接,由SMF传来的基模光进入MMF后,将形成基模LP01和若干高阶模LP0N。由SMF基模向这些导模的耦合系数分布是不均匀的。这些导模将沿MMF传播,到达MMF的端面后,被发射后沿相反方向传播。在SMF与MMF 的界面,由于不同阶数的导模模场分布的差异,因而导致它们在向SMF基模耦合时耦合系数间的不同,其结果是只有少数导模才有可能被有效地耦合到SMF中。在这里,SMF起到了选择模式的作用。被耦合到SMF中的导模,由光纤耦合器或环行器与入射光分离,在光探测器发生干涉,当入射光的波长满足 K=8n ma2 (N1-N2)[2(N1+N2)-1]L(1)时,形成干涉极大。式中:n为MMF纤芯的折射率;m为一正整数;a为MMF纤芯半径;L为MMF的长度;N1、N2为导模LP0N的阶数。 光电子#激光 第18卷第9期2007年9月Journal of O p toelectronics#Laser Vo l.18No.9Sep.2007 *收稿日期:2006-09-05 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(60578054) **E-m ail:enbang@https://www.wendangku.net/doc/591790886.html,
光纤光栅传感器的应用及发展
光纤光栅传感器的应用及发展 光纤光栅自从问世以来，就以其优良特性成为传感领域的新亮点。简要回顾了光纤光栅的 发展历史，介绍了光纤光栅的分类，着重论述了光纤光栅传感器的应用情况，分析了光纤光栅 传感器的未来发展趋势及面临的问题。 光纤光栅的分类： 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件。根据物理机制的不同，可将光纤 光栅分为蚀刻光栅和折射率调制的相位光栅两类。前者在成栅过程中使光纤的结构出现明显的物理刻痕， 后者主要使纤芯折射率呈周期性分布。目前，无论是发还是工程实用，后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅 指的是后者。根据光敏机制的不同，又可将光纤光栅分为I型、Ⅱ型和Ⅲ型. I型先纤光栅 连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为I型光栅 Ⅱ型光纤光栅 采用单脉冲成栅时发现，不断提高脉冲能量存在一个取决于光纤中锗浓度的阈值(～1J／cm)，低于该 阈值时形成的光栅均为I型光栅，而高于该阈值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近100％，将 此时的光栅称为Ⅱ型光栅。Ⅲ型光纤光栅区别于I型光栅的是，随着曝光量的增加，折射率呈负增长趋势，显然也不属于Ⅱ型光栅，因此称之为Ⅲ型光栅。根据折射率变化是否均匀，可以将其分为均匀光纤光 栅和非均匀光纤光栅两类。 1)均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有光纤布喇格光栅(rBG)、长周期光纤光栅(LPG)闪烁光纤光栅刮等. 2)非均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅和非均匀特种光纤光栅等。 光纤光栅传感器的应用与发展： 1978年，加拿大的Hill等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光的效应J，制成了世界上第一只被称为“Hill光栅”的光纤光栅。1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术，为光纤光栅实用化开辟了一条可行的道路。1993年，Hill等人提出了相位掩模写人技术，极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能。此后，世界各国迅速开展了对光纤光栅及其应用的研究。光纤光栅的写入技术及光纤光敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高和完善。而光纤光栅独有的抗电磁干扰、高灵敏度和复用技术等优势也逐渐显现出来。自从1989年美国的Morey等人首次报导光纤光栅用于传感以来，光纤光栅传感技术引起了人们极大的兴趣并得到飞速发展，被广泛用于温度、应变、压力、加速度、超声波、振动、电磁场和折射率等多种物理量的测量，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。目前，FBG为传感器件的传感器成为研发主流，以LPG和啁啾光纤光栅CFG)为传感器件的传感器的研究同样引起人们的兴趣。在土木工程中，对于桥梁大坝、隧道矿井和大型建筑物等来说，其结构会随着时间的推移或者外界环境的改变而变化。因此，需要通过测量结构的应变分布和局部载荷状态来确保其结构健康并安全运行。光纤光栅传感器尺寸小，既可以贴在现存工程结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中。多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式实时监测。1993年，加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥首先采用了光纤光栅进行应力测量，并用此方法长期监测桥梁结构。此后，国外发达国家也都选用光纤光栅传感器作为桥梁长期安全监测的首选技术。1999年，美国新墨西哥Las Cruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器数量最多的纪录。在我国，近几年来，随着国家对安全生产问题的高度重视，大型建筑物安全监测与预警的意义和作用也逐步受到人们的重视。武汉理工大学将光纤光栅传感器引入桥梁长期安全监测预警系统中，解决了传统电测手段无法长期稳定监测的问题，并应用于武汉阳逻长江大桥、武汉长江二桥等十余座大型桥梁的长期安全监测，取得了非常好的效果。哈尔滨工业大学采用光纤光栅传感器完成了lO余项重大工程的健康监测。此外，南开大学与上海紫珊光电技术有限公司合作，在世博场馆大空间结构安全保障关键技术项目中采用光纤光栅传感器进行健康监测J。这些领域开展的实验测试和实际应用为我国桥梁大坝、隧道矿井及大型建筑物的长期安全监测与预警提供了典范。先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造高速航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，可以在飞行器或舰船运行过程中进行实时健康监测和损伤探测J。自从光纤光栅传感器于1990年次埋人环氧树脂复合材料以及1992年首次埋人混凝土中以来，光纤光栅在航空航天复合材料／结构的健康监测中开始试用。将光纤光栅粘贴于航空航天飞行器(如机身、机翼蒙皮)及发射塔表面或者埋人其内部，可构成分布式智能传感网络，实时监测飞行器及发塔的应力、应变、温度及其结构内部损伤等健康状况. 根据测结果，由驱动元件对结构状态进行相