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布拉格光纤光栅(FBG)原理


一.布拉格光纤光栅原理

布拉格光纤光栅(FBG)是一种通过特定方法使光纤纤芯的折射率在轴向出现周期性变化,从而在纤芯内形成衍射光栅。光沿着光纤向前传播并在每个微小变化处(折射率发生变化的地方)发生反射,但除了满足相位匹配条件的光以外,其他波长的光都会沿着光纤继续传播。满足相位匹配条件的光会沿着光纤原路返回。

    运用电磁理论可以推导出(此处从略),布拉格波长λΒ由下式决定:

       λΒ=2N Λ ...........(1)

    这里,N为激光在光纤内传播的有效折射率;Λ为布拉格光栅的周期。

从等式(1)可以看出,反射波长λΒ会受到光栅区域的物理或机械特性的变化的影响。例如,由于弹光效应,光纤上的应变会改变ΛN。类似地,由于热光效应,温度的变化会导致N的改变;对于非约束光纤,Λ会受到热膨胀和热收缩的影响,如等式(2)所示。其中,等式右边的第一项描述应变对λΒ的影响,第二项描述温度对λΒ的影响。

        ΔλΒ = λΒ(1-ρα)Δε + λΒ(α+ξ)ΔT .......(2)

    式中,ΔλΒ为布拉格波长的变化,ρα, αξ分别表示弹光系数、热膨胀系数和热光系数,Δε表示应变的变化,ΔT表示温度的变化。对于刻录在二氧化硅上波长为λB 1550 nm的典型光栅,应变和温度的灵敏度分别约等于1.2 pm/με 10 pm/ºC

     尤为重要的是,等式(2)的两项条件是独立的,这意味着布拉格光纤光栅(FBG)可通过将光纤与应变隔离,从而进行温度的测量;而具有温度补偿的应变测量可在温度确定的情况下进行,这种温度的确定通常来源于另一种应变隔离式布拉格光纤光栅(FBG)。

    布拉格光纤光栅(FBG)除了可用于应变和温度测量外,还可通过植入换能器,用于压力、加速度、位移等测量。


二、FBG的复用原理

1波分复用(WDM

     波分复用(WDM)的原理很简单:多个光栅组成一个光栅串并且每个光栅具有不同的布拉格波长,在实际操作过程中,通过如下两种方法实现:

A.使用一宽带光源和一分光计进行检测。

B.使用一灵敏可调波长光源和一简单的光敏二极管检测器。


    下图(图一)给出了利用扫频光源和探测器构成的FBG多点复用解调原理的工作示意图。扫描发生器用于调节光源,将光源在光纤上传播的任何给定波长范围内进行扫射。当此波长与布拉格光纤光栅(FBG)的布拉格波长一致时,光会沿着光纤反射至光电探测器。同时,扫描发生器将计时信号提供给处理器,让处理器将光强vs时间信息转换成光谱信息。处理器后续会进行处理以识别此光谱的峰值,找出它们的峰值位置并将其转换为应变或温度等目标物理量。

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图1. 波分复用设备工作原理示意图

a)光源,b)扫描滤波器,c)扫描发生器,d1-4通道的耦合网络,e)布拉格光纤光栅阵列,f)光电检测器,g)处理器,h)通道4上的检测器的时间变化,时间ti 转化成布拉格波长λi


2)时分复用(TDM

    时分复用(TDM)系统采用宽带脉冲光源并通过光源从光栅的返回信号到达检测器所需的时间来区分不同的光栅。与调制解调单元距离小的光栅处的脉冲比间距大的先接收到。下图所示的为与调制解调单元有不同间距l的布拉格光栅阵列。从距离为li的布拉格光纤光栅返回的脉冲所需的时间ti 由下式决定:

        ti = 2li c/n式中,c为光在真空中传播的速度,n为光纤的折射率。

    确定阵列中光栅的位置后,可使用线阵CCD采集光谱信息来测量FBG的波长漂移。当然,也可使用高速分光计。


布拉格光纤光栅原理2.png

图2. 时分复用(TDM)设备的工作原理示意图

顶部:来自光源(a)的脉冲穿过耦合器(b)(此耦合器也连接到检测器(c)),传输至包含布拉格光栅(e)的光栅;

底部:光源在t0时刻传出的脉冲在与调制解调单元间距为l1, l2 和 l3布拉格光栅反射,并分别在t1, t2 和 t3 时刻返回。


三.布拉格光纤光栅传感技术优势

基于布拉格光纤光栅(FBG)的传感器相对于传统的电子传感器技术具有很多重大优势:


适用于严苛环境

布拉格光纤光栅传感器完全无源,没有使用任何电子元件。因此,它们可以工作在从低温到几百度的高温的极端温度下,并可在电子传感器及仪表无法工作的地方长期工作。


抗电磁干扰

布拉格光纤光栅传感器无源特性的另一个好处就是它们不受到静电、电磁及无线电信号的干扰。所以它们可以安装在发电站等具有严重电子噪声的场所。另外,由于无源,本质上它们是100%防爆安全的,它可用于几乎所有危险爆破环境。


远程感应

光纤是一个效率非常高的信号载体。因此,电子调制解调单元可安装在距传感器位置几十千米的地方。而传统电子应变测量系统需要适当放大以防止噪声淹没信号。对于监测油井、提升柱、管道或隧道等长距离、偏远建筑结构,此特点具有特有和巨大的好处。光学传感器没有引线的影响,由于布拉格光纤光栅传感系统的被测量为波长,它不受到信号衰减的影响,所以远端的传感器信号在沿着较长光纤传输的过程中不可能发生错误。


长期稳定性

布拉格光纤光栅传感器的另一个优点是其对于远程监控具有长期的稳定性。作为无源传感器,布拉格光纤光栅具有零漂移的特性,因而可以使用很多年而不需要重新标定。将传感器安装在结构上,然后连接到调制解调设备,每隔几年采集一次数据,就可获得结构自上次读数后的真实动作情况。由于一个调制解调单元可用于很多结构,如此则大大增加了这项技术的经济优势。


微小尺寸

刻写布拉格光栅的光纤非常小,直径只有约0.15mm。因此,很多传感器可应用于非常小的扰动结构。特别地,光纤传感器阵列可以嵌入复合材料,用于检测内部应变、温度和损伤,而不影响复合材料的结构性能。


复用技术

一条光纤可以刻入很多布拉格光栅,而一台多通道解调设备又可同时解调几百条光纤。与每个传感器都需有一个专有通道的技术相比,使用波分复用技术可大大降低密集安装设备的价格。另外,光纤比电缆更小、更轻,且可以复用,因而大规模的布拉格光纤光栅传感器可安装于因电缆的重量和体积所限而无法安装的特定应用。


疲劳耐久性

经过对内嵌光纤传感器的碳化纤维试样进行测试发现,在经过100万次疲劳加载后,内嵌光纤传感器不会发生疲劳或结合破坏。今后我们还会在玻璃纤维材料上进行测试,以证明嵌于风轮机叶片内的光纤传感器的寿命可达到叶片25年的自身使用寿命。对于表面安装的应用,光纤更不容易发生结合破坏,与多数电子传感器技术相比,对湿度和化学药品具有更强的适应能力。


安装容易且费用低廉

试想一下安装很多传统电子应变传感器的情形:每个传感器需要黏合到待测结构上,然后将黏合焊盘与每个需要黏合的传感器关联起来;然后需要在现场将每个传感器与其连接的焊盘焊接起来;然后需要在现场将电缆焊接到所有的焊盘上并将电缆捋顺、固定连接到一系列仪器上;最后,在测量开始之前,需要对所有传感器连接的电桥进行调平。

相比较而言,使用布拉格光纤光栅应变传感器,只需黏结很少的光纤到结构上,将它们连接到一个布拉格光纤光栅调制解调仪上,仅按一个按钮即可获得应变阵列的读数,用作后续读书的参考值。

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