光纤传感原理6.ppt

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1、第六讲光纤光栅传感应用技术《光纤传感原理》温度传感应用应力传感内容小结1北京交大光信息所温度传感应用1温度传感原理热光系数热膨胀系数2北京交大光信息所一般α=5.5×10-7K-1；ξ=7．00×10-6K-1如果光纤光栅的Bragg波长为l550nm，请计算光纤光栅的温度灵敏度光纤光栅的温度灵敏度为0.0117nm/℃，一般取0.01nm/℃。3北京交大光信息所光纤光栅的温度系数较小，单独用它做温度传感元件，灵敏度不高。为此，通常将光栅粘贴于热膨胀系数很大的基底材料上。若基底材料热膨胀系数αsub>>α,则：弹光系数4北京交大光信息所温度传感应用裸

2、光纤光栅的温度特性温度系数较小，灵敏度低。线性度好5北京交大光信息所光纤光栅的温度传感器实际应用的光栅都是封装在热膨胀系数很大的基底材料中封装16北京交大光信息所这种普通的温度增敏方法完全依靠基底材料的热伸缩系数来提高传感器的灵敏度，一旦材料选定，传感器的灵敏度也就确定，要想再提高传感器的灵敏度只有选择更高热伸缩系数的材料。因而增敏作用有限。7北京交大光信息所进一步改变封装结构，提高增敏效果封装2金属套管和石英管在右端采用环氧胶单端固定，石英管的左端不与金属管粘贴，处于自由状态；光纤光栅一端固定在金属套管的左端，另一端固定在石英管的左端。这样，当金属

3、套管受热膨胀时，其右端拉动石英套管的右端，而石英套管的左端又带动光纤光栅的右端使光栅伸长，从而改变光栅波长的移动。8北京交大光信息所设金属套管的热伸缩系数为a1，石英管的热伸缩系数为a2，光纤光栅的热伸缩系数为a，则在温度变化△T时由结构伸缩引起的光纤光栅的应变为光纤光栅传感器的应变传感机理增敏作用在光纤光栅上后引起的波长变化为9北京交大光信息所在提高温度传感器的灵敏度时，一方面可以通过增大两种基底材料的热伸缩系数差；另一方面，在两种基底材料选定或材料的可选伸缩系数有限的情况下，可以通过改变增敏结构即增大l／d的比值来提高传感器的灵敏度。这样，增敏系

4、数就不完全依赖于基底材料，通过调整结构同样可以实现灵敏度的提高。同时由热光效应和弹性效应引起的光纤光栅本身的波长变化:10北京交大光信息所金属套管选用铝套，长度为l+d=40mm，热伸缩系数为a1=23×10-6/K；石英管长度为l=12mm，热伸缩系数为a2=5.5×10-7/K，光纤光栅两固定端的距离为d=28mm，选用在常温25℃时的工作波长为1551.07nm的光栅。计算得结构增敏后的光栅温度传感器的理论灵敏度为0.0506nm/℃。下图是对结构增敏方法的实验结果，传感器增敏后的灵敏度为0.0503nm/℃，与实际理论计算值十分接近，其增敏效

5、果是不采用增敏效果的方法的5倍，是采用基底增敏方法的1.3倍。11北京交大光信息所对采用3种不同增敏方法的结果比较，可以看出：裸光纤光栅的温度灵敏度最低，采用基底增敏的次之，而结构增敏方式的灵敏度最高。12北京交大光信息所应力传感2原理Bragg波长相对偏移量与其轴向应变之间的关系：一阶近似仅考虑微应变的影响，则：13北京交大光信息所二阶近似公式分别表示一阶应变和二阶应变灵敏度14北京交大光信息所一阶应变灵敏度一阶应变灵敏度15北京交大光信息所对纯熔融石英光纤，P11=0.121，P12=0.270，υ=0.17，neff=1.456，计算得有效弹光

6、系数Pe=0.216，因此，一阶应变灵敏度为0.784，二阶应变灵敏度为0.708。中心波长相对变化量为：当光纤光栅应变在一5000με一5000με范围内变化时，上式第二项量值非常小，最大值仅为8.85×10-6，是第一项的0.226％。因而在工程上，应变和中心波长相对偏移量之间的关系可以看作是线性关系。即使应变值达到最大值10000tn~，忽略第二项所引入的误差也仅为5．51％o，同样可以认为应变和中心波长相对偏移量之间是线性关系。16北京交大光信息所压力传感应用裸光纤光栅的应力特性0-70MPa，波长漂移仅0.22nm;应力系数较小，灵敏度低。

7、17北京交大光信息所光纤光栅的压力传感器实际应用的光栅都是封装在弹性系数很大的基底材料或一定的应力放大机构中结构1悬臂梁为一端固定，另一端自由的弹性梁。将光纤光栅粘贴在矩形弹性梁的上表面，紧紧靠近固定端根部。如图所示，设梁的长度为L，厚度为h。18北京交大光信息所轴向应变与自由端位移f的关系为：自由端位移f与波长变化的关系：19北京交大光信息所光纤Bragg光栅应变传感及解调装置实验结果：20北京交大光信息所实际应用：光纤Bragg光栅被预制在一混凝土悬臂梁的上或下表面内由激光二极管(SLD)，波长850nm，谱宽24nm，功率114μw，发出的光波

8、被3dB耦合器耦合进光纤光栅中，与Bragg光栅光波长相一致的光被反射耦合进入多模光纤(芯径5Onm)，被测