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1、光通信技术Vol.24OPTICALCOMMUNICATIONTECHNOLOGYNo.2中国电信技术类核心期刊*采用光纤光栅的温度和应力传感技术卓锋赵玉成延凤平王均宏(北方交通大学光波技术研究所北京100044)摘要光纤光栅传感技术较其它光纤传感技术有其独特的优点,使其更具有实用性。文中介绍了光纤光栅用于温度、应力传感的机理,并对传感系统中波长位移检测方案进行了讨论。关键词光纤光栅传感器交叉敏感波长检测中图分类号TP212.14文献标识码A1引言其中,为光栅周期,neff为有效折射率,和neff都受布喇格光纤光栅(FBG,Fi
2、berBraggGrating)是外界环境影响而发生变化和neff,导致符合布近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件喇格条件的反射波长发生移位,由布喇格条件可之一。由于许多独特的优点,FBG在光纤通信、光纤得:传感等领域具有广阔的应用前景,极大地拓宽了光纤=2neff+2neff(2)技术的应用范围。光纤光栅传感器是利用FBG的布该式表明,反射波长的偏移与光纤芯的折射率和光栅喇格波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种常数的变化有关。当光纤光栅受到轴向应力作用或温新型的光纤传感器。与传统的光纤传感器相比,F
3、BG度的变化影响时,其neff和都会发生变化。应力作将被测信息转化为共振波长的移动,即采用波长调制用下的光弹效应导致折射率变化,形变使光栅常数变方式,同时还可方便地将多只光栅复用,这是其它传化;温度导致的光热效应使折射率改变,而热膨胀系感器件无法比拟的。光纤光栅传感器的出现给光纤传数致使光栅常数改变。先忽略温度和应力的交叉敏感领域带来了新的生机,适用于特殊结构的传感网感,分别考察仅在单一的温度或应力作用下光纤光栅络,如:水坝寿命监测、桥梁缺陷检测、大型运输载体的传感特性:的复合材料等等。本文对基于光纤光栅的温度、应力传感器的机理进行
4、了阐述,并对传感系统中出现的交叉敏感现象和波长检测技术进行了讨论。2光纤光栅传感原理[1]根据光纤耦合模理论(CMT),当宽带光在光纤光栅中传输时,将产生模式耦合,满足布喇格条件的光被反射:图1光纤光栅传感原理图B=2·neff·(1)*国家自然科学基金资助项目(69907001)卓锋男,1976年生,在读硕士生赵玉成男,1965年生,博士,讲师1999-09-20收稿2000年第2期卓锋等:采用光纤光栅的温度和应力传感技术135图2光纤光栅温度传感器B铒光纤,其输出端为镀银反射镜。当泵浦光输入时会=(!+∀)T(3)B形
5、成激光振荡。由于光栅对反射光有选择性,而银反11neff射镜为宽带反射镜,所以只能是波长为B的光起振。其中!=·为热膨胀系数,∀==为热TneffT-6当外界温度场作用于光栅时,B发生移位,从而使激光系数。对于掺锗石光纤,!取0.55×10/℃,∀取光器输出波长改变,实现波长调制。因为光纤光栅是-6-67.1～7.3×10/℃(20℃～150℃),10×10/℃高反射率滤波器,所以检测反射光和透射光,均可观(400℃),由式(3)可知,B与T存在着线性关系,察到波长移位。通过信号处理单元,可检测出激光器通过检测布喇格波长的移
6、位,即可确定被测量T。输出波长随温度的相对移位率B/B～%T。[2]对于应力的影响,有:普通光纤材料的热膨胀系数很小:!si=0.55×nL1-6=+=-·10/℃,这么小的!si与光纤光栅作为温度传感器元nL22件非常不适应。为了提高温度灵敏度,可将裸光纤光n[(1-#)P12-#P11]∃=∃-∃P=(1-P)∃(4)栅置于金属(如铝)包层中,并选用60Sn～40Pb的焊其中∃是轴向应变,#是泊松比,P为光纤光栅应变-6剂进行焊接。铝的热膨胀系数!Al为23.5×10/℃,灵敏度系数。对于石英光纤,可取远远大于普通光纤
7、的热膨胀系数。因此,将裸FBG置B[3]=0.78∃(5)入铝套管中并粘结,可将温度灵敏度提高千倍之B多。与温度类似,B与∃也成线性关系,由B可方便为防止过高温度损害光纤的涂敷层,最高探测温地求出外界应力。实际应用中,∃是个很小的量,可以-6度应在250℃以内,只有以金或聚酰亚胺作涂敷层的引入应变量的10,即微应变#∃,作为光纤光栅应变[1]光栅才可探测>250℃的高温。实验证明,经过的度量单位。480℃高温退火的光栅具有很高的稳定性,因此,将FBG作为温度传感元件时应先进行高温退火处理。3典型光纤光栅传感器3.1原理简图光纤
8、光栅构成的传感器原理图如图1所示;外界待测量加在传感头FBG上,由光源出射的光在FBG中传输时,布喇格中心波长将会产生移位B。包含负载信息的光波FBG反射,经耦合器导入光谱分析图3应力传感器仪,在分析仪中可检测出B,
