光栅式传感器的光纤光栅传感器的应用

光栅式传感器的光纤光栅传感器的工作原理~

我们知道，光栅的Bragg波长lB由下式决定：lB=2nL ⑴式中，n—芯模有效折射率； L—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，还可实现对应力和温度的分别测量和同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），对电场等物理量的间接测量也能实现。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。此时，采用啁啾光纤光栅传感器就就是一个不错的选择。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DlB的变化外，光谱的展宽也会发生变化。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的。由于应变的影响，啁啾光纤光栅反射信号会拓宽，峰值波长也会发生位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn/dT），仅会影响重心的位置。因此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，它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层，其公式如下：li=(n0- niclad）·L ⑵式中，n0—纤芯的折射率；niclad—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，其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Dli，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上共振带的响应通常有不同的幅度，因而适用于构建多参数传感器。

自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10多年时间里光纤光栅己成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域。1、土木及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。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康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健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、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。2、在桥梁安全监测中的应用目前, 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等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体系,如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况,因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年), 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测, 而这在以前被认为是不可能。德国德累斯顿附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥, 德累斯顿大学的Meis－sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中, 测量荷载下的基本线性响应, 并且用常规的应变测量仪器作了对比试验, 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中, 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测, 32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法- 泊系统进行信号解调。2003年6月，同济大学桥梁系史家均老师主持的卢浦大桥健康检测项目中，采用了上海紫珊光电的光纤光栅传感器，用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。施工情况：整个检测项目的实施主要包括传感器布设、数据测量和数据分析三大步。在卢浦大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器，其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路，4个温度传感器串接为1路，然后通过光纤传输到桥管所，实现大桥的集中管理。数据测量的周期根据业主的要求来确定，通过在桥面加载的方式，利用光纤光栅传感网络分析仪，完成桥梁的动态应变测试。3、在混凝土梁应变监测中的应用1989年, 美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中, 并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。此后, 美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。在混凝土结构浇注时所遇到的一个非常棘手的问题是: 如何才能在混凝土浇捣时避免破坏传感器及光缆。光纤Bragg光栅通常写于普通单模通讯光纤上, 其质地脆, 易断裂, 为适应土木工程施工粗放性的特点, 在将其作为传感器测量建筑结构应变时,应采取适当保护措施。一种可行的方案是：在钢筋笼中布置好混凝土应变传感器的光纤线路后, 将混凝土应变传感器用铁丝等按照预定位置固定在钢筋笼中, 然后将中间段用纱布缠绕并用胶带固定。而对粘贴式钢筋应变传感器一般则用外涂胶层进行保护。2003年9月，上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光纤光栅传感应变计埋设于混凝土中对北京中关村某标志性建筑进行静态应变测量。上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光线光栅应变计具有精度高（一般为1με，如果是小量程的应变测量，可以达到0.5με）、可靠性高、安装方式多样、使用方便等优点，成功应用于北京中关村某标志性建筑中，布设在钢梁上并埋设在混凝土中对支柱钢梁进行施工过程监测。4、在水位遥测中的应用在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度可以到达±0.1%F·S。光纤安装在传感器内部，由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG，并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其它设备连接在一起时，水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且，反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么，根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。5、在公路健康检测中的应用公路健康监测必要性：交通是与人们息息相关的事情，同样也是制约城市发展的主要因素，可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上，其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样，每年仍然有大量公路遭到破坏，公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。，而破坏一般都是因为汽车超载，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。现在的公路一般分三层进行施工，分为底基层、普通层和沥青层，在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况，对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。

先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具（如飞机的机翼）。
为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了带宽为5kHz范围内、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的动态应变测量。
另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动，起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等来说，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，方便进行维护和状况监测。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，还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，并通过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中（便于防护）。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。同时，为了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*涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀*涉仪（FFPI），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，同时实现了对三个量的测量：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，在5me的测量范围内，实现了小于 1me的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1ne/(Hz)1/2的动态应变灵敏度。 光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。
在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化可使压电陶瓷（PZT）产生形变，而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很容易得知其形变，进而测知电流强度。这是一种较为廉价的方法，并且不需要复杂的电隔离。另外，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检测电线压力非常重要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化即可被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大，故不需快速调制和解调。 医学中用的传感器多为电子传感器，它对许多内科手术是不适用的，尤其是在高微波（辐射）频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中。由于电子传感器中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起传感头或肿瘤周围的热效应，这样会导致错误读数。近年来，使用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注，而且传感器的小尺寸在医学应用中是非常重要的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较小，而光纤光栅传感器正是目前为止能够做到的最小的传感器。它能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。到目前为止，光纤光栅传感系统已经成功地检测了病变组织的温度和超声波场，在30℃～60℃的范围内，获得了分辨率为0.1℃和精确度为±0.2℃的测量结果，而超声场的测量分辨率为10-3atm/Hz1/2，这为研究病变组织提供了有用的信息。
光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射人一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重要的。 光纤光栅传感器可用于化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的变化而变化，而光栅间倏失波的相互作用以及环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射率的变化。
长周期光栅（long period fiber grating，LPFG）与布拉格光纤光栅一样，也是由光纤轴上产生周期性的折射率调制而形成，其周期一般大于100μm。它的耦合机理是：向前传输的纤芯基模被耦合入几个特定波长的向前传输的包层模，包层模很快损失掉，所以LPFG基本上没有后向反射，在其透射谱中有几个特定波长的吸收峰。LPFG对光纤包层材料折射率的变化比上述的光纤布拉格光栅更为敏感，包层材料折射率的任何变化都会改变传输光谱的特性，使吸收峰发生改变，所以长周期光栅折射率测量系统的分辨率可实现10-7的灵敏度。目前已经用长周期光栅测出了许多化学物质的浓度，包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等，原则上，任何具有吸收峰谱并且其折射率在1.3和1.45之间的化学物质都可用长周期光栅进行探测。

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藏馥养阴： 题主,您好!您说的应该是光纤光栅吧,常用的有温度,应变,压力,还有一些衍生的结构监测相关的传感器.应用场景其实很多,在电力行业,有变电站、开关柜,输电线路方面有使用;在结构安全监测方面,隧道、特种设备、罐体、桥梁等等,测量结构体的受力、变形、环境参数,也是一个重要方向.谢谢,请采纳!

镇赉县19189018880： 光纤传感器有哪些地方可以用到? - ？
藏馥养阴： 光纤传感器运用主要分为五大方向: (1)石油和天然气--油藏监测井下的p/t传感、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂; (2)航空航天--喷气发动机、火箭推进系统、机身; (3)民用基础建设-...

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藏馥养阴： 光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量.由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感,即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动,使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分.因此,解决交叉敏感问题...

镇赉县19189018880： 光栅有哪些应用? - ？
藏馥养阴： 光栅尺,属光电传感器,多运用在精密机加工和数控机床上,用来精密测量物体的位移,作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用,在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差,以起到一个补偿刀具的运动的误差的补偿作用. 光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量.光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完成对位移量的自动测量,它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及温度误差修正等功能.