埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

文章编号:100222082(2007)0520619204

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

程淑红,李志全

(燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004)

摘　要:埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理,设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F 2P 滤波器对光栅信号进行解调,解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500ΛΕ。通过理论分析证实了系统方案的可行性。

关键词:埋入式光纤光栅;光纤B ragg 光栅;应变测量;可调谐F 2P 滤波器

中图分类号:TN 253 文献标志码:A

D esign of stra i n m ea surem en t system w ith

em bedded f iber Bragg gra ti ng

CH EN G Shu 2hong ,L I Zh i 2quan

(Co llege of E lectric Engineering ,Yan shan U n iversity ,Q inhuangdao 066004,Ch ina )

Abstract :T he strain sen so r w ith an em bedded fiber B ragg grating has a great po ten tial as an in telligen t elem en t fo r m on ito ring large con structi on w o rk .T he sen sing m echan is m of the strain sen so r w ith an em bedded fiber B ragg grating w as discu ssed .A strain m easu rem en t system w ith em bedded fiber B ragg grating w as designed .T he structu re of the grating sen sing p robe and its fab ricati on w ere elabo rated .T he cro ss sen sitivity betw een strain and tem p eratu re w as overcom e by u sing the tunab le F 2P filter to dem odu late the grating signals

.T he strain m easu rem en t ranging from 0to 1500ΛΕw as realized .T he feasib ility of the system w as verified by the theo retical analysis .

Key words :em bedded fiber grating ;fiber B ragg grating ;strain m easu rem en t ;tunab le F 2P filter

引言

光纤传感技术是上世纪80年代发展起来的光纤应用技术,是信息社会的一个重要技术基础,在

当代高科技中占有十分重要的地位。随着不同系统工程自动化程度和复杂性的增加,对传感器的精度、可靠性、响应灵敏度及经济实用性的要求越来越高。光纤传感技术正是适应这种要求,随着光纤

和光纤通信技术迅速发展的趋势而产生的。现代高科技及工业的发展对诸如建筑物、水坝、桥梁等提出了越来越高的要求,除了对结构强度的基本要求外,还希望结构具有“自我检测”的功能,能够对结构的受力情况进行实时监测,并且按照预定要求对结构受力状态作必要地调节,确保结构安全运行并始终工作在最佳状态[122]。将传感、控制和驱动元件

收稿日期:2007203212;　修回日期:2007203228

基金项目:国家自然科学基金(60377002)

作者简介:程淑红(1978-),女,河北人,讲师,燕山大学在读硕士研究生,主要从事光电检测、光纤及光学传感器的研究。E 2m ail :shhcheng @ysu .edu .cn

第28卷第5期2007年9月 应用光学Jou rnal of A pp lied Op tics

V o l .28N o.5

Sep.2007

埋入其中就可以构成智能结构。光纤传感器由于体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、便于复用成网、成本低等优点,可同时作为传感元件和传输媒介,并且容易实现多点和分布式测量,因而是最有希望用于智能结构的传感技术[325]。尤其是自光纤布喇格光栅(fiber B ragg grating ,FB G )传感器出现以来,由于它较其他原理的传感器,具有线性输出、绝对测量、可构成传感网络以及微型化等许多不可替代的突出优越性,因而在智能结构中有十分广阔的应用前景[6]。1　光纤B ragg 光栅传感原理

由耦合模理论知,光纤光栅的B ragg 中心波长为

ΚB =2n eff +

式中:n eff 为纤芯的有效折射率;+为光栅周期。光纤光栅中心反射波长ΚB 随n eff 和+的改变而改变,由于温度和应变的变化都将导致n eff 和+发生改变,因此光纤光栅对于应变和温度都是敏感的。假设应变和温度所引起的光纤光栅中心反射波长的变化是相互独立的,当应变和温度同时发生变化时,光纤光栅中心反射波长的变化为

?ΚB i

ΚB i

=k Εi ??Εi +k T i ??T i i =1,2(1)

式中:k Εi =5ΚB i 5

Εi ,为与光纤材料的泊松比

、弹光系数和有效折射率有关的常数;k T i =5ΚB i 5T i ,为与材料的热膨胀系数和热光系数有关的常数。

2　埋入式光纤光栅应变测量系统的

设计

埋入式光纤光栅应变传感系统主要由光纤光栅应变测量探头、宽带光源、可调谐F 2P 滤波器、光电探测器等元件组成。采用可调谐F 2P 滤波器作为光纤光栅反射波长的测量系统。系统结构如图1所示。

图1　测量系统结构图

F ig .1　Structura l d i agram of m ea sur i ng syste m

宽带光源发出的光经3dB 耦合器后,分别进入多个不同反射波长的传感光栅实现应变测量;满足B ragg 反射条件的光被传感光栅反射后到达3dB 耦合器,由3dB 耦合器出来的光进入可调谐光纤F 2P 滤波器,可调谐光纤F 2P 滤波器对信号进行解调;信号发生器发出锯齿波电压对可调谐光纤F 2P 滤波器进行控制,从可调谐光纤F 2P 滤波器透射出的光到达光电探测器;光电探测器把光信号转变成电信号,数据采集卡对光电探测器输出的电信号进行采集,采集到的数据送入计算机进行处理。

3　光栅传感探头设计

应变测量的对象是多种多样的。但总的来说,

传感器的结构基本形式有3种:粘贴式、埋入式和表面式。基于传感器的一般设计原则,对结构内部混凝土的应变测量,采用埋入式应变传感器。这类传感器的设计着重考虑它与混凝土的相容性。3.1　传感器材料、结构和尺寸的设计

混凝土中有70%左右的空间被石材和其他材料充填,对光纤光栅的布置带来很多干扰,且在混凝土填筑振捣和铲平过程中,光纤光栅将受到外力的冲击。为了适应这种恶劣的应力环境,光纤光栅传感器必须设计成一定的结构形状。因此,必须对埋入式传感器与混凝土的相容性进行研究。

光纤光栅传感器材料的弹性模量、泊松比和线膨胀系数与混凝土的不一致,则会使光纤传感器所在处的混凝土产生应力集中。弹性模量的不一致是产生应力集中的最主要因素,有必要进一步分析。试验研究表明:圆柱体预制件与混凝土的相容性较其他形体预制件要好。因此,假定埋入混凝土的光纤光栅传感器是一个长为L ,半径为R 的圆柱体,其弹性模量为E 0,混凝土是完全匀质的弹性体,弹性模量为E 0,泊松比为Λ,且为无限体,光纤光栅传感器的应力和应变可表示为

Ρ0=Ρc (1+C S )

(2)Ε0=Εc (1+C e )(3)式中:C S 为应力集中系数;C e 为应变集中系数;

Ε

0为光纤传感器应变;Ρ0为光纤传感应力;Εc 为混凝土应变;Ρc 为混凝土应力。根据弹性力学,则

当L >Π(1-Λ2

c

)R 时,推导出C S =

E 0 E c -1

1+(ΠR L )(E 0 E c )

(1-Λ2c

) (2-(ΠR L )(1-Λ2

c ))

(4)

当L <Π(1-Λ2

c

)R 时,推导出?026?　应用光学　2007,28(5) 程淑红,等:埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

C S =

E 0 E c -1

1+(ΠR L )(E 0 E c )(1-Λ2c

)

(5)C e =(1+C S )E c E 0

-1

(6)

由(4)式和(5)式可以看出:1)当E 0 E c 值一定时,C S 将随L R 值减小而减小,C e 将随L R 值的增大而减小,光纤光栅传感器进行应变测量时,应考虑L R 的值大一些,一般L R =10∶40,光纤传感器大多能较好地测量应变;

2)当L R 值一定时,C e 在E 0 E c 值较小,因此,光纤光栅传感器的弹性模量略小于混凝土的弹性模量,可获得较小的应力集中和系数。

综上所述,通过调节光纤光栅传感器的结构、几何尺寸和弹性模量,能够保证混凝土的应力和应变较有效地传递到传感器。为了使传感器与混凝土结合面产生有效地粘结,增加结合面的抗剪特性,保证应力和应变向传感器的有效传递,光纤光栅传感器的形状和表面特征同样起着重要作用,它对保证二者之间的粘结是至关重要的。

基于以上分析,设计这种类型传感器结构如图2所示。它的几何形状近似杠铃状,主要由细金属管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂等组成。设计成这种特定的结构,其优点一是使传感器表面和混凝土表面不产生相互的啮合,二是利用杠铃结构,保证混凝土标距内的应力和应变向传感器有效地传递

。

图2　埋入式光栅应变传感器结构示意图　F ig .2　Structura l d i agram of e m bedded

gra ti ng stra i n sen sor

3.2　关键设计参数的选择

由于光纤直径一定,为了提高应变传递的效率,选择减小胶层厚度和直径小的薄壁不锈钢管;为了获得好的应变传递效果,粘结长度应大于12mm 。

另外,为了保证传感器有良好的传感特性和对拉、压两方向的应量,设计了光纤光栅的预张拉工艺,根据建筑行业对混凝土应变计量程的设计规范,压应变范围为0～1500ΛΕ,由光纤光栅的应变

实验结果,应变和波长的对应关系即1pm 约对应1ΛΕ,因此预张拉波长位移设计为2nm 。3.3　传感器的温度补偿方式

温度和应变对光纤光栅波长的影响可以看作是相互独立、线性叠加的,当光栅传感器用于应变测量时,可以采用温度补偿的方式消除温度的影响。该补偿方法基于以下条件:1)补偿传感器与应变传感器支撑材料的热膨胀系数相同;2)均处于同一温度场中;3)温度补偿传感器不受应力作用。为了满足以上条件,设计的温度补偿传感器的结构如图3所示。比较图2和图3,不难看出,设计的温度补偿传感器结构与应变测量传感器基本相同,仅将光纤光栅改为一端固定,是为了保证光栅不受应力作用

。

图3　温度补偿传感器结构示意图

F ig .3　Structura l d i agram of te m pera ture

co m pen sa tion sen sor

为了验证这种补偿方法的可靠性,应测试2种传感器在都不受应力作用的情况下它们的温度灵敏度。于是,设计了如下实验:将一支如图2所示的应变传感器和一支如图3所示的温度补偿传感器同时放入温控箱中,通过调节温度来测得2传感器的温度2波长关系。温度从30℃开始,每升高5℃,记录一次测试数据,最高温度为80℃,然后开始降温,按同样的温度间隔记录数据。考虑到热传递时间,当温控箱温度达到设定值时,等待2m in 后开始记录数据。对测得的数据进行分析、处理,其结果如图4所示

。

图4　温度2波长关系

F ig .4　Te m pera ture versus wavelength

?

126?　应用光学　2007,28(5) 程淑红,等:埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

从图4中可以看出,2传感器波长变化趋势基本相同。2传感器温度2波长关系的拟和方程的斜率,即传感器的温度灵敏度分别为0.0109nm ℃和0.0105nm ℃,数值基本接近,说明2传感器温度特性一致性较好。而且在实验过程中,观察传感器波长随时间的变化曲线,2传感器的波长走势也非常一致,说明2传感器对温度的反应同步。实验结果表明:上述温度补偿传感器的设计合理,温度补偿方法有效。

4　结论

结构监测的前提是从结构中提取能反映结构特征的参数。最能反映结构局部特征,便于结构安

,应变是材料与结构的重要物理特性,是重要工程结构健康监测最为重要的参数之一。因此,对大型结构应变进行长期、实时、在线监测,将具有十分重要的意义。

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?

2

2

6

?　应用光学　2007,28(5) 程淑红,等:埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

海底光缆数字传输系统工程设计规范

、八— 前言.......................... 1总则 ....................... 2术语 ....................... 3传输标准及系统制式 ......... 4系统设计 ................... 5系统传输指标 ............... 6海底光缆线路路由的选择原则 7海底光缆的敷设和工程设计要求8 海缆登陆站的选择9设备的安装及配置 ........... 10远供系统设计.............. 11辅助系统设计.............. 12维护工具及仪表的配置 ...... 附录A 本规范用词说明. .... 附：条文说明.................. II 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 1

、才▲ 、■ 前言 海底光缆数字传输系统从 1990 年建设中日国际海底光缆传输系 统开始 引入我国，经历了十多年的建设和发展，从最初 560Mbit/s PDH 系统到目前先进的10Gbit/s WDM 系统。随着海底光缆系统技 术上的不断发展变化，通过多个工程建设，海底光缆数字传输系统 设计、建设的经验和资料 都得到有效积累 。 1996年编制的 ?海底光缆数字传输系统工程设计规范 ? YD5018- 96, 主要适用于单波长、海底电中继器的海底光缆系统的工程设 计。上世纪90年代末,海底光缆系统已全部采用大容量 SDH^统和WDM 系统。所以，根据技术发展的需要和信息产业部信部规函 号文?关于安排通信工程建设标准修订和制定计划的通知 重新修订原规范。 根据我国新建的多条国际和国内海底光缆工程的经验， 外有关海底光缆数字传输系统的资料 以及陆上光缆传输系统工程 设 计要求，并总结了原YD5018-96发布实施以来海缆系统设计的实践 经验，制定本规范。本规范对原规范进行了修改、补充、增删和细 化。经反复讨论修改，后经有关部门会审定稿。 本标准由信息产业部综合规划司负责解释、修订、监督执行。 本标准负责起草单位 :京移通信设计院有限公司 本标准主要起草人 :王 卫昀 高军诗。 [2004]508 ?的精神， 参照国

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/bb15735242.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.

海底光缆数字传输系统工程设计规范模板

海底光缆数字传输系统工程设计规范

目次 前言 ....................................................................................................... II 1 总则 (1) 2 术语 (2) 3 传输标准及系统制式 (4) 4 系统设计 (5) 5 系统传输指标 (6) 6 海底光缆线路路由的选择原则 (7) 7 海底光缆的敷设和工程设计要求 (9) 8 海缆登陆站的选择 (11) 9 设备的安装及配置 (12) 10 远供系统设计 (13) 11 辅助系统设计 (14) 12 维护工具及仪表的配置 (15) 附录A 本规范用词说明 (17) 附: 条文说明 (1)

前言 海底光缆数字传输系统从1990年建设中日国际海底光缆传输系统开始引入中国, 经历了十多年的建设和发展, 从最初560Mbit/s PDH系统到当前先进的10Gbit/s WDM系统。随着海底光缆系统技术上的不断发展变化, 经过多个工程建设, 海底光缆数字传输系统设计、建设的经验和资料都得到有效积累。 1996年编制的?海底光缆数字传输系统工程设计规范? YD5018-96, 主要适用于单波长、海底电中继器的海底光缆系统的工程设计。上世纪90年代末,海底光缆系统已全部采用大容量SDH 系统和WDM系统。因此, 根据技术发展的需要和信息产业部信部规函[ ]508号文?关于安排通信工程建设标准修订和制定计划的通知?的精神, 重新修订原规范。 根据中国新建的多条国际和国内海底光缆工程的经验, 参照国外有关海底光缆数字传输系统的资料以及陆上光缆传输系统工程设计要求, 并总结了原YD5018-96发布实施以来海缆系统设计的实践经验, 制定本规范。本规范对原规范进行了修改、补充、增删和细化。经重复讨论修改, 后经有关部门会审定稿。 本标准由信息产业部综合规划司负责解释、修订、监督执行。 本标准负责起草单位:京移通信设计院有限公司 本标准主要起草人:王卫昀高军诗。

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

海底光缆数字传输系统工程设计规范

目次 前言 ....................................................................... II 1总则.. (1) 2 术语 (2) 3 传输标准及系统制式 (3) 4 系统设计 (4) 5 系统传输指标 (5) 6 海底光缆线路路由的选择原则 (6) 7 海底光缆的敷设和工程设计要求 (7) 8 海缆登陆站的选择 (8) 9 设备的安装及配置 (9) 10 远供系统设计 (10) 11 辅助系统设计 (11) 12 维护工具及仪表的配置 (12) 附录A 本规范用词说明 (14) 附：条文说明 (1)

前言 海底光缆数字传输系统从1990年建设中日国际海底光缆传输系统开始引入我国，经历了十多年的建设和发展，从最初560Mbit/s PDH系统到目前先进的10Gbit/s WDM系统。随着海底光缆系统技术上的不断发展变化，通过多个工程建设，海底光缆数字传输系统设计、建设的经验和资料都得到有效积累。 1996年编制的?海底光缆数字传输系统工程设计规范? YD5018-96, 主要适用于单波长、海底电中继器的海底光缆系统的工程设计。上世纪90年代末,海底光缆系统已全部采用大容量SDH系统和WDM 系统。所以，根据技术发展的需要和信息产业部信部规函[2004]508号文?关于安排通信工程建设标准修订和制定计划的通知?的精神，重新修订原规范。 根据我国新建的多条国际和国内海底光缆工程的经验，参照国外有关海底光缆数字传输系统的资料以及陆上光缆传输系统工程设计要求，并总结了原YD5018-96发布实施以来海缆系统设计的实践经验，制定本规范。本规范对原规范进行了修改、补充、增删和细化。经反复讨论修改，后经有关部门会审定稿。 本标准由信息产业部综合规划司负责解释、修订、监督执行。 本标准负责起草单位:京移通信设计院有限公司 本标准主要起草人:王卫昀高军诗。

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

光纤通信系统总体设计的一些考虑

光纤通信系统总体设计的一些考虑 内蒙古铁通通信工程公司 师林 摘 要：当设计一个光纤通信系统（例如一个数字段）时，首先要弄清所设计系统的整体情况，它所处的地理位置，当前和未来3～5年内对容量的要求，ITU—T的各项建议及系统的各项性能指标，以及当前设备和技术的成熟程度等。在弄清楚情况的基础上，对下述问题进行具体的考虑和设计。 关键词：光纤通信系统，总体设计。 一、选择路由，设置局站 对于一个需要设计的系统，首先要在两个终端站之间选择最合理的路由、设置中继站（或转接站和分路站）。选择路由一般以直、近为依据，同时应考虑不同级别线路（例如一级干线和二级干线）的配合，以达到最高的线路利用效率和覆盖面积。 中间站的设置（中继站、转接站和分路站）既要考虑上下话路的需要，又要考虑信号放大再生的需要。由于光纤通道的衰减和色散使传输距离受限，需要在适当的距离上设置光再生器以恢复信号的幅度和波形，从而实现长距离传输的目的。 传统的O/E/O实再生器具有所谓的3R功能，即再整形（Reshaping）、再定时（Retiming）和再生（Regenerating）功能。这种再生器相当于光接收机和光发射机的组合，设备较复杂，成本很高，耗电也大。目前，在1.55μm波段运行的系统，已普遍采用掺铒光纤放大器（EDFA）代替传统的O/E/O再生器。虽然国际上也在研究具备3R功能的EDFA，但目前实用的EDFA只具备光放大的功能。因此，对高速率、长距离光纤通信系统，当使用级联EDFA时，须考虑对色散的补偿和对放大的自发辐射（ASE）噪声的抑制。 二、确定系统的制式、速率 20世纪90年代中期，SDH设备已经成熟并在通信网中大量使用，考虑到SDH设备良好的兼容性和组网的灵活性，新建设的长途干线和大城市的市话通信一般都应选择SDH设备，长途干线已采用STM－16、多路波分复用的2.5Gbit/s系统、甚至10Gbit/s系统。 对于农话线路，为了节省投资，也可采用速率为34Mbit/s，140 Mbit/s的PDH系统。 三、光纤选型 目前可选择的光纤类型有G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤及大有效面积光纤。G.652光纤是目前已大量敷设。在1.3μm波段性能最佳的单模光纤，该光纤设计简单、工艺成熟、成本底。但这种光纤工作在1.55μm波段时，有＋17ps/km﹒nm左右的色散， 109

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

光纤通信系统设计实例

光纤通信系统设计 1 概述 图 1.1 标准光纤通信系统架构 2 模拟系统设计 光纤系统中，各组件的累加损耗应足够低以符合探测器的阈值要求。模拟系统中，充足的功率意味着高SNR，另外，组件的组合应该提供足够的带宽以通过较高的调制频率，因此，应对单个器件的损耗和带宽进行分析，并计算整个系统的功率分配和带宽预算。 2.1 系统规格 2.1.1 初始方案 以设计简单的点对点视频系统为例，电视广播信号的带宽为6MHz，要求SNR为50dB。 表2.1 系统方案一：窄带宽和低功率 Carrier Source LED0.8-0.9um Information Channel MMF (SI or GRIN) Detector PIN-PD 表2.2 系统方案二：高带宽和高功率 Carrier Source LD 1.3um Information Channel SMF Detector APD 2.1.2 负载电阻计算 已知PIN-PD的电容和传输带宽，根据方程 求得负载电阻

取近似值，计算得为6.24MHz。 2.2 功率预算 2.2.1 平均光功率计算 标准的SNR方程是 由于使用PIN-PD作为光电探测器，假设系统是热噪声限系统，调制系数m为100%，SNR方程简化为 由于放大器噪声的存在，将实际温度T替换为等效噪声温度，假设环境温度T为300K，放大器噪声系数F为2，则，又已知PD响应率为，计算平均光功率P为 取P近似值为。 2.2.2 平均光电流计算 根据平均光功率P为，计算得PIN-PD的平均光电流，远大于暗电流（几个纳安），因此系统中暗电流的影响可以忽略，计算热噪声电流均方值 散粒噪声电流均方值 可以得到，热噪声功率是散粒噪声功率的近7倍，符合最开始采用热噪声限模型的假设。 预测平均光电流为时，并没有驱动探测器进入非线性区，最大饱和电流等于偏置电压与负载电阻的比值，使用5V偏压时，最大允许电流为（或），远远大于，系统不存在饱和问题。 2.2.3 详细方案 光源SE LED SI MMF

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

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/bb15735242.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/bb15735242.html,