光纤光栅传感技术用于架空输电线路状态监测_栗鸣
第33卷 第241期 电 力 系 统 通 信 V ol.33 No.241
2012年11月10日
Telecommunications for Electric Power System
Nov.l 0，2012
?59?
Grating ，FBG ）。前2种属于连续分布式光纤传感技术，第3种属于准分布式光纤传感技术。1.1 B-OTDR/B-OTDA 技术
当一束激光进入光纤时出现的3种散射：瑞利散射、
布里渊散射、拉曼散射。光纤的激光散射类型如图1所示。
图1 光纤的激光散射类型
Fig.1 Laser scattering types of optical fiber
脉冲光以一定的频率从光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射。布里渊散射与瑞利散射不同，布里渊散射光的频率相对于入射光有频率改变。布里渊散射又分自发布里渊散射和受激布里渊散射2种。当入射光功率在单模光纤受激布里渊散
中图分类号：TM855 文献标志码：B 文章编号：1005-7641(2012)11-0059-06
光纤光栅传感技术用于架空输电线路状态监测
栗鸣，徐拥军
（中天日立光缆有限公司，江苏 南通 226463）
摘要：文章对3种光纤传感技术（B-OTDR/B-OTDA ，DTS ，FBG ）用于架空输电线路状态监测进行了比较。DTS 由于检测方法所限只能检测温度。虽然B-OTDA 可以同时检测温度和应力，但由于光纤寿命、OPPC/OPGW 制造技术以及价格昂贵等因素影响，不适合用于架空输电线路应力监测。光纤光栅传感技术具有价格适宜、精度高、速度快、测试距离长、可制成各种传感器等优点，适合用于架空输电线路的温度及应力等状态监测。关键词：光纤传感；光纤光栅；架空输电线路；状态监测
0 引言
目前我国架空输电线路上采用的覆冰监测系统（或线路状态监测系统）多为：导线状态监测（称重法）+/环境视频监控（视频图像法）+GSM/GPRS 无线信号传输[1]。但该系统的缺点在于：①电子线路的传感器易受温度、压力、强电磁环境影响；②视频监控系统易受大气环境影响；③系统价格昂贵；④运营维护费用偏高。技术更先进的光纤传感技术逐步应用于电网输变电设备温度、应力等参量的在线监测。对于架空输电线路而言，光纤光栅传感技术相对其他几种光纤传感技术更具备可靠性和实用性。
1 光纤传感技术
光纤传感器的基本原理是将被测参量转换为光信号参数的变化，在众多的光纤传感器类型中，可大规模组网应用的光纤传感技术主要有3种：①布里渊散射（布里渊光时域反射仪/布里渊光时域分析仪）（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer/ Brillouin Optical Time Domain Analysis ，B-OTDR/B-OTDA ）；②拉曼散射（分布式光纤测温仪）（Rayleigh Optical Time Domain R e f l e c t o m e t e r /D a t a -Tr a n s m i s s i o n S y s t e m ，R-OTDR/DTS ）；③光纤布拉格光栅（Fiber Bragg
电 力 系 统 通 信2012，33（241）?60?
射阙值以下时，仅出现自发布里渊散射；当入射光功率大于此阙值时，开始出现受激布里渊散射。当发生受激布里渊散射时，大部分的入射光功率被转换为频率较低的后向斯托克斯光。B-OTDR 利用光纤的自发布里渊散射原理，B-OTDA利用受激布里渊散射原理。温度和光纤应变的上升会使布里渊散射光频移线性增加，如下表示[2]：
（1）布里渊散射光功率随温度上升而线性增加，随应变增加而线性下降，如下表示：
（2）
式中：△V B为布里渊频移变化量；CνT为布里渊频移温度系数；△T为温度变化量；Cνε为布里渊频移应变系数；△ε为应变的变化量；△P B为布里渊功率变化量；P（T,ε）为初始功率；C PT为布里渊功率温度系数；C Pε为布里渊功率应变系数。
由式（1）可知，布里渊频移对光纤的温度及应力交叉敏感。因为布里渊频移与光纤材料中的声速有关，而声速又受到光纤材料的弹光特性和热光特性影响，所以光纤中的应变和温度都会引起布里渊频移的变化。
B-OTDR系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的中心波长和功率，使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。B-OTDA系统中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤，利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强。
1.2 DTS技术
光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生拉曼散射，波长大于入射光的为斯托克斯光（λs），波长小于入射光的为反斯托克斯光（λA）。斯托克斯光强与温度无关，反斯托克斯光强随温度升高而增强。由于拉曼散射的频移远离入射光中心波长，信号易于分离和处理，因此，基于自发拉曼散射的分布式光纤测温系统（Data-Transmission System，DTS）受到广泛关注和研究，该项技术早在20世纪90年代初就已商品化。DTS技术利用的是自发拉曼散射过程中产生的反斯托克斯光与斯托克斯光的强度之比：
（3）式中：h为普朗克常数；c为真空光速；μ为拉曼频移；K为波尔兹曼常数；T为绝对温度。
与受激布里渊散射类似，在拉曼散射中，当入射光的功率超过某一阙值时，开始出现受激拉曼散射。受激拉曼散射对基于自发拉曼散射的分布式光纤测温系统来说其影响在于：①入射光功率的增加并不意味着传输距离的增加，因为超过阙值部分的光功率大都被转成斯托克斯光；②对于使用斯托克斯光做为参考光的测温系统，受激拉曼散射产生的斯托克斯光有可能成为系统噪声。由于多模光纤数值孔径大，所以收集拉曼后向散射光信号的能力强，因此，DTS光纤测温系统基本采用多模光纤。受激拉曼散射现象决定了DTS 系统的最大入射光功率，也同时限制了DTS系统的监测距离。由于架空输电线路距离较长，而目前最先进的DTS测试距离也只有20多km，因此DTS在架空输电线路上推广有长度限制。
1.3 光纤布拉格光栅技术
光纤布拉格光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯上形成具有周期性折射率分布的光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的反射镜，可通过掩膜效应将入射宽带光谱中满足布拉格条件的窄带光反射回光入射的方向，光纤光栅传输模型如图2所示。
图2光纤光栅传输模型
Fig.2FBG Transmission model
根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅的中心波长λB与有效折射率n eff和光栅周期Λ满足布拉格条件：
（4）
?研发应用?栗鸣 等 光纤光栅传感技术用于架空输电线路状态监测?61?
可见，光纤光栅的反射波长主要取决于光栅周期Λ和有效折射率n eff。当光纤光栅感受到外界环境温度发生变化△T或应变变化△ε时，不仅会引起光栅周期Λ的变化，而且还会引起有效折射率n eff的变化，从而引起反射光波长的偏移，这就是光纤光栅传感的基本原理。n eff变化主要由弹光效应和热光效应引起，光栅周期Λ的变化主要由热膨胀效应和外界的应变引起。当温度和应力同时变化时，相应的中心波长λB的平移量△λB为[3]：
（5）式中：Ψε为应变敏感系数；Z为轴向应变；ΨT为温度敏感系数；△T为温度变化。
通过对以上几种光纤传感技术的介绍可知，DTS技术仅能用于光纤所受温度的测量。比较公式（1）与公式（5）可知，利用B-OTDR或光纤光栅技术，均可实现对光纤所受温度及应力变化的测量。
2 B-OTDR（B-OTDA）不适合用
于架空输电线路的应力监控
由于B-OTDR同时具备温度和应力测试两大功能，因此有许多人尝试将该项技术应用于对架空线路的导线或地线的温度和应力进行监控。其设想是将B-OTDR与光纤复合架空相线（Optical Phase Conductor，OPPC）或光纤复合架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）内的光纤组成测试系统，通过监测光纤的应力变化，推算出导线、地线的应力变化和覆冰厚度，为输电导线或地线融冰提供理论依据。试图从以下原因解释该设想在实际中很难实现。
1）在光纤强度理论上不可行。光纤的使用寿命与其在寿命期间里所受到的外力大小有密切关系。目前，常用的商用光纤的出厂筛选张力为100 kpsi，相当于光纤伸长1%。如果使用中光纤所受长期应力为其筛选张力的20%，其使用寿命可达30年；但如果所受应力由20%筛选张力增加到30%，则使用寿命从30年锐减至1天[4]。在光缆的制造过程中，必须使光纤有充分的余长，避免光纤因受外力而影响其使用寿命。如果将OPPC中的光纤作为受力元件，每天检查其应力变化，则很难保证其30年的使用寿命。
2）在制造工艺上不可行。通常对OPPC （OPGW）的光纤余长要求为6‰~7‰。在6‰~7‰的余长中，大致的考虑是放线、紧线的伸长有2‰~3‰，长期蠕变伸长有1‰，其余3‰是极端情况下的伸长，以此来保证长期使用中，即使在极端恶劣的气候环境下，也可使光纤始终处于弯曲状态不受外力，从而保证光纤的安全寿命。由于放线、紧线过程要“吃掉”光纤余长，在架线完毕后为了使光纤变为“0余长”满足B-OTDR应力测试要求，必须在生产中留出该余长。但是由于放线后缆的伸长量无法测量，因此无法给出一个准确数值。即使有了该数值，目前的生产工艺对余长的精确控制水平也无法满足要求。其余的还有生产时环境温度与放线时环境温度的不一致性，也会使光纤余长产生轻微改变。以上所有因素都有可能因OPPC（OPGW）中的光纤不受力或受力过大而使整个B-OTDR系统沦为摆设。
因此，B-OTDR 只能用于输电导线或地线的测温，而不能用于测应力。
3 F BG用于架空输电线路的温度和
应力监控
3.1 光纤光栅的优缺点
由于基于光纤光栅原理研制出的各种光栅应力、温度传感器已相对成熟，因此，利用光纤光栅既可监测导线、地线温度，又可监测应力、舞动、振动、风偏、弧垂等参数，是一项备受关注的技术[5–7]。各种光纤传感技术应用于架空输电线路的优缺点比较见表1所列。
针对测温来说，光纤光栅是一种准分布式测温系统，与监测交联电缆的缺陷点不同，由于交联电缆护套的缺陷点是随机散布的，最好使用分布式测温原理，但对架空导线来讲，在大气环境下某一档距范围的导线温度相差不会很大，也极少有异常温度点出现，可以满足要求。另外需强调的是，表1中所列的仅是这3种光纤传感技术之间用于架空输电线路监控时的优缺点简单比较，与其他使用环境、传感方式无关。
3.2 光纤光栅的制作
目前，常见、成熟的光栅照射工艺过程包括载氢、剥纤、刻栅、二次涂覆、去氢。需要注意的是，应采用特殊器具进行剥纤。如果采用常规的剥线
电 力 系 统 通 信2012，33（241）?62?
钳方式，会在光纤包层留下伤痕，有可能会对光纤造成损伤，影响光纤光栅的使用寿命。
在光栅照射完成后，必须对光栅光纤进行静态拉断力试验，比较光栅光纤强度是否比原始光纤强度有所降低，以便检验光栅照射工艺是否成熟。3.3 利用光纤光栅传感技术对架空输电导线、地
线温度和应力进行监控的设计思路
3.3.1温度监控的意义
基于OPPC对输电导线进行温度监控的意义为：①有利于实时掌握线路的安全运行状态；②有利于实时控制线路电流或负荷；③有利于提高线路输送容量；④为在线融冰、融雪提供了条件[8] 。对于OPGW，由于节能及直流融冰的需要，正在研究和推广使用的分段绝缘技术将OPGW由逐塔接地变为分段绝缘。以前的线路安装方法仅能对导线进行大电流直流融冰，由于OPGW覆冰后弧垂增加，与导线的安全距离不够，虽然导线已融冰，但线路依然不能送电。OPGW分段绝缘使对地线大电流直流融冰成为可能。在对OPGW进行大电流直流融冰时，也必须监测OPGW的温度，因为在OPGW分段绝缘区域的各处覆冰情况并不一样，避免无冰或少冰的OPGW在融冰时由于温度过高损坏光纤，因此，应在整个融冰过程对OPGW的温升进行实时监控。
3.3.2 光栅测温点设计
光栅测温点的设置间距与架空线路的实际运行工况密切相关，也直接决定了导线中用于温度监测的光纤芯数、光纤光栅解调仪通道数及每个通道的波长解调带宽等关键的方案设计参数。下面以1条20 km OPPC线路为参考进行设计。
以16通道光纤光栅解调仪为例，可同时对16个光纤传感通道进行200 Hz同步信号解调。但在实际应用中，光纤光栅解调仪测量通道数的选择主要取决于留给测温用的光纤芯数，因为测量通道与光纤是一一对应关系。从国内外的工程经验来看，出于系统可靠性、维护性和性价比等方面考虑，每芯光纤上串接的光纤光栅数量通常在10~20之间，因为国内外多数厂商的光纤光栅解调仪光源的典型带宽为1 525~1 565 nm，如果相邻2个测温光栅的波长间隔为2.5 nm，则每个光纤通道上可串接的光栅数为40/2.5=16，考虑到光源两端光谱平坦度相对较差，因此本方案中只选用中间的14个波段。考虑到架空线路的档距多在300~400 m之间，如果按间隔300 m设置一个光栅，则单根光纤的监测距离等于300×14=4 200 m。如果OPPC内有5根光纤用于温度监测，则第1根光纤（第1通道）监测的范围是0~4.2 km；第2根光纤（第2通道）监测的范围是4.2~8.4 km；第3根光纤（第3通道）监测的范围是8.4~12.6 km；第4根光纤（第4通道）监测的范围是12.6~16.8 km；第5根光纤（第5通道）监测的范围是16.8~21 km。第5根光纤的16.8 km之前的光传输通道为普通单模光纤与解调仪连接，以此类推。整条线路所使用的光栅数约为65~70个。
如果设计人觉得300 m的间隔有些大，需要250 m一个，则250×14=3 500 m。此时5根光纤可以监测的距离是3 500×5=17 500 m，此时如果仍要监测20 km的线路有2种选择：①增加1根测温用光纤；②减少各光栅波长间隔从2.5 nm到2.0 nm或更小，如此可增加每根光纤上的光栅数。在线路设计时也有其他选择，如根据具体线路的档距来确定各光栅位置，则平原地区光栅间隔疏一些，山区覆冰区密一些。
3.3.3 光栅应力传感器
光纤光栅应力传感器的设计原理为：在传感器受力基体上面和下面各粘结有一个应力光栅，
表1 各种光纤传感技术应用于架空输电线路的优缺点比较
Tab.1Comparison of different optical fiber sensing technologies applied to the overhead transmission line 原理类型测试距离精度反应时间应力监测温度监测光纤类型价格
B-OTDR/B-OTDA分布式长一般慢不可可单模高
DTS分布式短一般慢不可可多模高（10~20 km）低（<10 km）
光纤光栅准分布式长高快可可单模适中注：分布式代表光纤上任一段长度（通常为1~3 m）；准分布式代表光栅测试点非连续
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通过取平均值来消除偏心误差；另外还串接一个经过封装的测温光栅，可用于导线环境温度的监测以及消除应力传感器的温度漂移误差。光栅传感器受力时波长变化值与拉力的关系如图3所示。
图3 光栅传感器受力时波长变化值与拉力的关系Fig.3 Relationship between wavelength change value and tension when the optical fiber sensor stressed
纵坐标为上、下2个光栅波长的平均值，R 2为图3中点趋向直线的线性度。由图3可知，光栅平均值与导线应力值变化在0~300 kN 范围内，呈良好的线性关系，可准确的测量导线的应力变化。
由于光栅应力传感器中共设置了3个光纤光栅传感元件，因此，在实际工程中，每芯光纤中可串接4~5个光栅应力传感器。3.4 应用实例
南方电网某4.9 km 220 kV 线路采用光纤光栅与OPPC 技术相结合监控导线温度及应力。导线方式采用双分裂，一根为常规钢芯铝绞线LGJ-500/45；另一根为含有26个温度光栅的OPPC ，规格：OPPC-32B1-500/45。光栅应力传感器安装位置如图4所示，应力传感器光纤与OPPC 光纤连接方式如图5所示。
按照线路设计要求，OPPC 内光纤总数为32根。24芯用于通信，2根用于光栅测温，4根用于光栅测应力，2根备用。线路共有14级铁塔，每根测温光纤上设计采用13个光栅以保证每个档距之间有2个光栅。在实际生产中以档距中心点为光栅安放位置，2根光纤上的光栅点位置相差20 m 左右。在2，5，11号塔分别安装2个，1个，1个光纤光栅应力传感器，用于监测导线应力，应力传感器引出光纤与OPPC 光纤采用可光电分离的
中间接续盒进行连接（见图5）。
图4 光栅应力传感器安装位置
Fig.4 Grating stress sensor installation location map
图5 应力传感器光纤与OPPC 光纤连接方式Fig.5 Connection mode of optical fiber between
stress sensor and OPPC
安放于站内机房的光纤光栅解调仪将即时信号传给系统后台分析软件，分析软件将光栅波长变化转换为温度变化或应力变化，同时显示在显示屏上供电网运管人员实时监测使用。还可在系统里设置温度及应力报警值，当温度或应力超过报警值时，系统会自动报警。监控系统还具有Web 发布功能可同时向各级运管部门提供远程实时监控。
由于整个温度、应力传感系统全部采用光纤光栅传感技术，避免了传统传感技术的缺点，如冬天太阳能电池板被冰雪覆盖系统无法工作，GSM/GPRS 无线信号不稳定，需支付公网巨额无线数据费等。
4 结语
光纤光栅精度高、传输距离远、实时性好，既可以串接在OPPC 、OPGW 内部直接测量架空导
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Fiber Bragg Grating Sensor Technology for Status Monitoring of Overhead Transmission Line
LI Ming , XU Yong-jun
( Zhongtian Hitachi Optical Fiber Cable Co., Ltd., Nantong 226463, China )
Abstract: This paper compares three optical fiber sensor techniques (B-OTDR/B-OTDA, DTS and FBG) applied to the status monitoring of overhead transmission line. DTS can only test temperature due to the limitation of detection method. Although B-OTDA is able to examine temperature and stress simultaneously, it is not suitable for the status monitoring of overhead transmission line because of the restrictions of fiber life, OPPC/OPGW manufacture technique, high price, and etc. Fiber Bragg Grating (FBG) has advantages of price, precision, speediness, long testing distance, and can be applied to producing variety of sensors. Therefore, FBG is applicable to monitoring the temperature, stress and other conditions of OPGW transmission line. Key words: optical fiber sensor; FBG; overhead transmission line; status monitoring
线、地线温度，也可以制作成应力传感器对导线覆冰、舞动、振动进行实时监测。因此，相对于其他光纤传感技术，光纤光栅传感技术更适合用于电力架空输电线路的全方位安全监控。
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栗鸣（1957—），男，河南郑州人，高级工程师，从事特种光纤光缆的研发和应用工作。
徐拥军（1979—），男，江苏如东人，工程师，从事电力特种光缆研究和应用工作。
（收稿日期：2012-09-10；修回日期：2012-10-12）
（编辑：李蕊）
光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用
光纤光栅传感器及其在土木工程中的发 展应用 摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRPOFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。 关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测 0、引言
新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。 光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。 1、光纤光栅的传感技术特点及其封装 1.1 光纤光栅的传感技术特点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。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。 1.2 光纤光栅的封装
1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。 这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。 2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。 3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。 4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一
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。
光纤光栅传感系统的详细介绍
光纤光栅传感系统的详细介绍 本文介绍了光纤光栅传感系统的构成，分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED，LD和掺铒光源的性能，阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法，描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术，最后，提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和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。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对
光纤光栅原理及应用
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 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，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
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
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
“现代传感与检测技术”课程学习汇报 光纤光栅传感器及其在医学上的应用 学院：机电学院 专业：仪器科学与技术 教师：刘增华 学号： S201201134 姓名：王锦 2013年03月
目录 第一章光纤光栅简介 (3) 1.1 光纤的基本概念 (3) 1.2 光纤光栅器件的基本概念 (3) 1.3 光纤光栅的加工工艺 (4) 1.4 光纤光栅的类型 (5) 第二章光纤光栅传感器 (7) 2.1光纤光栅温度传感器 (7) 2.2 光纤光栅应变与位移传感器以及振动与加速度传感器 (8) 第三章光纤光栅传感器的应用 (10) 3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用 (10) 3.2光纤光栅传感器在医学中的应用 (10) 3.3 光纤光栅在其他领域的应用 (11) 第四章总结 (12) 参考文献 (12)
第一章光纤光栅简介 1.1 光纤的基本概念 光纤的结构十分简单。光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，折射率的差异引起全内反射，引导光线在纤芯内传播。 光纤纤芯和包层的尺寸根据不同的用途，有多中类型。如传输图像的光纤要尽可能地收集到起端面上的光，因此其包层相对于纤芯而言非常薄。长距离传输过程中，通信光纤的厚半层能避免光束泄露出纤芯。然而，短距离通信光纤的纤芯较大，能够尽可能地手机光，一般称为多模光纤，长距离通信光纤的纤芯直径 一边比较小，一般只能传输一个模式，因此成为单模光纤。 光纤具有机械特性和光学特性。在机械方面光纤坚硬而又灵活，机械强度大。光纤的光学特性取决于他们的结构与成分。一般轴对称的单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式或者两个圆偏振正交模式。这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在其传播过程中偏振态不会发生变化。 1.2 光纤光栅器件的基本概念 加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光线的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。光纤光栅是近几年发展最快夫人光纤无源器件之一，他的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。由于它具有在管线通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领域均具有广阔的应用前景。 光纤光栅是利用光线材料的光敏性（外界入射光子和纤芯锗离子相互作用in 器折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或者反射）滤波或者反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，例如利用光纤光栅的窄带高反射特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质可制成光纤激光器；利用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成课调谐激光二极管；利用光纤光栅课构成Michelson干涉仪型Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Peort干涉仪型的光纤色散补偿器。利用闪耀光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅还可以制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网。
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
光纤光栅传感系统的现状及发展趋势
光纤光栅传感系统的现状及发展趋势 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和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。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1 光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1．1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（4×10-4／℃）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要
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/da6976043.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。
光纤光栅传感技术的发展及应用
光纤光栅传感技术的发展及应用 单嵩 北京工业大学应用数理学院 000612班 指导教师：王丽 摘要本文综述了当前国内外对光纤光栅传感器的研究历史和现状，论述了光纤光栅传感器的工作原理，介绍了传感器在响应压力方面的研究，并讨论了光纤光栅传感器所面临的问题。 关键词光纤，光栅，传感器 一、引言 光纤通信技术在过去二十年里有了惊人的发展，它的出现，使得全球电信网络上的传输需求以指数速率增长。而新一代光纤技术——光纤光栅将在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纤非线性光学性质时偶尔地制成了最初的光纤光栅并发现掺锗石英光纤紫外光敏特性。所谓光敏性是指光纤材料在一定波长的强光照射下，其折射率会发生永久变化。而折射率沿光纤按一定规律变化就可形成各种光纤光栅。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了侧面写入的光纤光栅，使得制作各种波长的光纤光栅成为可能。光纤光栅作为一种全光器件，其主要优点是低损耗、易于与其他光纤耦合、偏振不敏感，温度系数低、容易封装。根据光纤周期的不同，光纤光栅可以被分为短周期光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）。短周期光栅又称为Bragg光栅，它的周期尺寸可以与工作波长相比拟，一般约为0.5μm 。Bragg光栅可以有很多种应用，从滤波器、光分插复用器到色散补偿器。长周期光栅又称为传输光栅，它的周期要比工作波长大得多，从几百微米直到几个豪米。长周期光纤光栅的工作原理与Bragg光栅有所不同。在光纤Bragg光栅中，对于适当的波长，纤芯中前向传播模式的能量会被耦合进入后向传播模式中。而在长周期光栅中，纤芯中前向传播模式的能量将会被耦合到包层中前向传播的其它模式中。这些包层中的模式都是极高损耗的，随着它们沿光纤的传播，其能量迅速衰减。目前长周期光栅主要被用作滤波器及在掺铒光纤放大器中补偿不平坦的增益谱。 目前，围绕光纤光栅技术的研究主要分为二个方向: 一是光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究；二是关于光纤光栅应用技术的研究，由于光纤光栅本质上是一个带阻滤波器，因此在光纤通信和光纤传感方面应用广泛。光纤传感是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接受，可方便地进行光电或电光转换。光纤工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线和优良的敏感元件。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，成为传感技术的先导，在某些重要领域，如惯性导航、军用告警、智能材料结构、测试与控制、机器人及信息处理等方面得到了广泛的应用。 二、光纤光栅传感技术原理 1、光纤Bragg 光栅的应变响应机理
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
光纤光栅传感技术发展综述
Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105 Published Online September 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/da6976043.html,/journal/oe https://https://www.wendangku.net/doc/da6976043.html,/10.12677/oe.2018.83014 Development in Fiber Bragg Grating Sensing Technology Shanchao Jiang School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018 Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology. Keywords FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology 光纤光栅传感技术发展综述 蒋善超 盐城工学院电气工程学院，江苏盐城 收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日 摘要 为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。 关键词 光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术
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
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