光栅传感

光栅传感（共9篇）

光栅传感 篇1

0 引言

1989年, Morey首次报道将光纤Bragg光栅 (fiber Bragg grating, FBG) 用作传感元件[1], 此后FBG作为一种新型的光纤无源器件, 在传感领域受到广泛的关注。FBG具有耐高温、抗干扰能力强、耐腐蚀、体积小、重量轻、灵活方便、寿命长等优点[2,3,4]。但是裸光栅非常脆弱, 实际工程应用中需要根据具体的工作环境和测量要求对其进行适当封装。常见的封装形式有贴片封装[5]、管式封装[6]、盒式封装[7]等。金属管式封装形式具有结构紧凑、强度高、导热快、体积小、布设方便等优势, 虽然该封装方式早有报道, 但封装工艺对应变不敏感的FBG传感器温敏特性的影响还鲜见报道[8]。

温度作为最常见的物理量, FBG用于温度传感领域的实际应用价值和前景具有非常明显的优势[9,10,11,12]。本文分别讨论了单端和双端两种金属管式封装方案, 制作了单端探头式FBG温度传感器和双端管式增敏型FBG温度传感器, 并对两种FBG传感器的温度特性进行实验研究, 两者均表现出应力应变不敏感特性。本研究有助于金属型管式封装FBG温度传感器的优化及性能的进一步提高, 改善FBG传感器的温度传感特性。

1 FBG的封装形式

本文设计了两种不同方案对FBG进行封装, 两种FBG温度传感器的封装结构如图1所示。对于探头式保护型封装, 选用外径5 mm、内径4 mm、长50 mm的毛细钢管作为保护套管, 其材质为304不锈钢。为了将光栅固定在不锈钢套管轴心位置, 选用尺寸45 mm×3.5 mm×1 mm的铜片作为支撑件来固定光栅。FBG、支撑件铜片以及不锈钢套管使用前均要清洁处理, 采用无水乙醇擦拭, 超声清洗后晾干备用。封装前将环氧树脂AB双组份胶按比例混合调匀, 静置10 min至气泡消失。将FBG的一端用环氧树脂胶固定于铜片上, 另一端为自由端, 再将铜片放入不锈钢套管中, 保证铜片位于不锈钢套管中心位置, 其余部分用导热硅脂填充, 最后两端再用环氧树脂胶密封, 封装而成的探头式温度传感器如图1 (a) 所示。该封装形式既合理地保护了光纤光栅, 又保证了温度的快速传递。封装后的光栅Bragg中心波长为1 530.036 nm, 与自然状态中心波长一致。因FBG的一端始终为自由端, 保证光栅处于自然松弛状态, 避免了外界应力对其产生影响。

FBG的保护型封装虽然可对温度进行有效测量, 但由于FBG本身热膨胀系数小, 导致此类FBG传感器的温度灵敏度不高。为了进一步提高其温度灵敏度系数, 采用下述的管式增敏型封装。选择外径3 mm、长45 mm的实心铍青铜柱, 并在其表面刻蚀出长45 mm、宽1.5 mm、深1.5 mm的凹槽, 将FBG固定于凹槽中心位置。为防止胶固化不均匀所导致的光栅啁啾现象, 用环氧树脂封装FBG时须对FBG施加一定预紧力。将埋有FBG的铜柱放入不锈钢套管的内部, 保持其处于不锈钢套管中心位置, 并用导热硅脂充分填充于铜柱和不锈钢管间的空隙。最后在不锈钢管两端套入硅胶保护套, 并用环氧树脂胶将其密封, 所得管式增敏型温度传感器如图1 (b) 所示。所使用光栅的初始Bragg中心波长为1 548.907 nm, 封装后中心波长变为1 548.890 nm, 可见封装时施加的预紧力很好地抵消掉了环氧树脂胶固化过程中的内部应力, 将封装前后Bragg中心波长的变化尽可能做到最小。将上述两种封装好的FBG传感器放入电热式鼓风干燥箱内进行热退火处理, 目的在于充分释放环氧树脂胶固化过程中所形成的内部残余应力。

2 传感原理与实验结果分析

2.1 传感原理

根据光纤耦合模理论, 当一束宽带光入射到FBG上时, 满足Bragg条件的一部分光束会被反射回去。该光束的中心波长称为光纤Bragg中心波长, 记为λB, 其基本表达式为:

其中, neff为纤芯的有效折射率, Λ为FBG的周期。

由此可得, FBG的Bragg中心波长随温度变化的漂移为:

对于纯石英光纤, α~0.55×10-6/℃, ξ~6.67×10-6/℃。Bragg中心波长为1 530 nm的光栅的温度灵敏度系数KT约为11.05 pm/℃。但是由于光纤制作工艺与光栅写入工艺以及热退火工艺的不同, 裸光栅对温度敏感特性也有所差别。

2.2 实验仪器与标定过程

两个FBG温度传感器的温度标定实验装置如图2所示。实验中所用的信号采集与检测设备为Bayspec公司的光纤光栅解调仪, 其波长范围为1 525~1 565 nm, 波长分辨率为1 pm。将上述两种FBG传感器放置于电热恒温鼓风干燥箱 (DHG-9503A) 中, 该控温箱的温度测量精度为0.1℃。宽带光源发出的光经由端口1进入环行器, 经过端口2入射到两个FBG传感器上, 经其反射后的光束再次经过端口2, 最终从端口3出射后进入到解调模块中。

温度标定实验采用逐步升温再逐步降温的方法, 将两个光纤光栅敏感元件放置于恒温鼓风干燥箱中。恒温鼓风干燥箱的控温范围为40℃~80℃。升温标定实验以40℃为温度变化初始点, 每5℃为一个温度变化单位, 待恒温鼓风干燥箱当前温度显示值足够稳定后, 记录该温度点所对应的Bragg中心波长数据, 直至升温到80℃。降温标定实验按照同样步骤从80℃逐步降温至40℃。如此反复进行6次循环实验, 所封装FBG没有出现封装裂纹、老化脱落等问题。由于篇幅原因, 原始实验数据列表省略。

2.3 实验结果和分析

探头式保护型封装的FBG温度传感器在40℃~80℃内中心波长随温度变化的曲线如图3所示。图3 (a) 为升温曲线, 线性相关系数为0.999 91, 其波长与温度的线性拟合方程为:

图3 (b) 为降温曲线, 线性相关系数为0.999 71, 其波长与温度的线性拟合方程为:

探头式保护型封装FBG温度传感器的温度灵敏度系数平均值为9.86 pm/℃。尽管其温度灵敏度系数与裸光栅一致, 但其出色的线性拟合度保证了在实际应用中对温度测量的准确性。单端探头式保护封装工艺简单, 制作快捷, 方便大批量生产且易于保证每支传感器的一致性。

管式增敏封装的FBG温度传感器在40℃~80℃时中心波长随温度变化的曲线如图4所示。图4 (a) 为升温曲线, 线性相关系数为0.999 21, 其波长与温度的线性拟合方程为:

图4 (b) 为降温曲线, 线性相关系数为0.999 02, 其波长与温度的线性拟合方程为:

管式增敏封装FBG温度传感器的温度灵敏系数平均值为29.97 pm/℃, 达到裸光栅相应值的3倍左右。对比图3与图4可以看出, 增敏封装的线性拟合度有所下降, 但仍能满足高于0.999的要求。提高灵敏度系数的同时保证线性拟合度是至关重要的, 经分析, 改变封装方式而降低的线性拟合度可能是以下几个方面造成的:

(1) 铍青铜柱本身质地不均匀, 内部杂质的不均匀分布造成其受热膨胀体积变化不匀称;

(2) 环氧树脂胶填涂不均匀, 固化后体积不匀称造成温度变化时光栅各部分受力不匀称;

(3) 胶体本身仍有气泡或者涂胶过程中引入气泡, 气泡本身会吸收一部分由热胀冷缩产生的内部应力, 使其不能很好地作用在光纤光栅上。

以上问题的存在均会引起Bragg中心波长的数值变化, 从而导致FBG传感器线性拟合度下降。

探头式保护型封装FBG温度传感器在每个温度测量点的Bragg中心波长与该点波长平均值相差最大为3 pm, 表明重复性良好, 如图5所示。

管式增敏封装FBG温度传感器在每个温度测量点的Bragg中心波长与该点波长平均值相差最大为11 pm, 除此以外上述波长差值均在8 pm之内, 如图6所示。这说明, 随着FBG传感器的温度灵敏度的提升, 在同条件下感知温度波动的能力有相应提高。

对于某种已封装好的FBG温度传感器, 其测温精度和分辨率取决于所用的解调设备。本文中所采用Bayspec解调仪的分辨率为1 pm, 精度为7 pm。因此, 探头式保护型封装FBG传感器的温度分辨率和精度分别为0.101 42℃和0.709 94℃;管式增敏封装FBG传感器的温度分辨率和精度分别为0.033 37℃和0.233 57℃。

上述两种FBG温度传感器在温度保持不变情况下, 通过人为施加一定外部应力, 其Bragg中心波长并未观测到漂移, 这表明两种管式封装的FBG传感器在一定范围内均对应力应变不敏感。

3 结论

本文采用保护封装和增敏封装方式, 制作了两款管式FBG温度传感器。在40℃~80℃温度区间研究了它们的温度特性, 其温度灵敏系数分别为9.86 pm/℃和29.97 pm/℃, 保护封装FBG传感器的温度分辨率为0.101 42℃, 精度为0.709 94℃;增敏封装FBG传感器的温度分辨率为0.033 37℃, 精度为0.233 57℃。两者的线性拟合度均达到0.999以上。实验表明, 两款FBG传感器重复性良好, 且无迟滞现象, 完全可用于实际工程中, 拥有广阔的应用前景。

光栅传感 篇2

报道了一种基于光纤激光器波长扫描寻址的高分辨率的光纤光栅传感解调方案.光纤激光器的扫描寻址过程由微机来控制.微机控制光纤激光器波长扫描的同时,同步采集、处理传感信号,并通过曲线拟合给出传感光栅的中心反射波长值.本解调方案的`波长移动分辨率为0.1 pm,可实现高分辨率的温度及应变测量.

作 者：关柏鸥 余有龙 葛春风 刘志国 董孝义 谭华耀 Guan Baiou Yu Youlong Ge Chunfeng Liu Zhiguo Dong Xiaoyi Hwa Yaw Tam  作者单位：关柏鸥,余有龙,葛春风,刘志国,董孝义,Guan Baiou,Yu Youlong,Ge Chunfeng,Liu Zhiguo,Dong Xiaoyi(南开大学现代光学研究所,天津,300071)

谭华耀,Hwa Yaw Tam(香港理工大学电机工程系,香港)

刊 名：光学学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA OPTICA SINICA 年，卷(期)： 20(11) 分类号：O4 关键词：光纤光栅   传感器   解调  

光栅传感 篇3

【关键词】光纤光栅传感器 关键技术 应用探索

光纤光栅是一种新型的光子器件，它在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。

光纤光栅的研究与发展归功于1978年加拿大的Hill等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1989年美国的Meltz等人发明的紫外侧写入技术。随后，1993年Hill与Lemaire分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热潮。

1.光纤光栅应变传感模型分析的前提假设

外界应力的改变会引起光纤Bragg光栅波长的移位。从物理本质来看，引起波长移位的原因主要包括三个方面：光纤弹性形变、光纤弹光效应及光纤内部引起的波导效应。为了能得到光纤光栅传感器更详细的数学模型，对所研究的光纤光栅做以下假设：

作为传感元，光纤光栅的结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所有外包层的影响。从光纤光栅的制作工艺可知，要进行紫外曝光，必须去除光纤外包层，以消除它对紫外光的吸收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构的分析更直接地反映了公式本身的传感特性，而不至于被其他因素所干扰。

由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循Hooke定理，且内部不存在切应变。只要不接近光纤本身的断裂极限，该假设是成立的。

紫外光引起的光敏折射率变化在光纤截面上均匀分布，且这种光致折变不影响光纤自身各向同性的特性，即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。

所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间变化的的情况。

根据以上假设，可以得出单纯光纤光栅的应变传感的数学模型。

2.光纤光栅温度传感器模型分析的前提假设

外界温度改变同样会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能够得到光纤光栅温度传感器更详细的数学模型，对研究的光纤光栅做一下假设：

（1）仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层及被层物体由于热效应而引发的其他物理过程。很自然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层（如弹性塑料包层、金属包层等）不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生不同的影响。

（2）仅考虑光纤的线性热膨胀区，忽略温度对热膨胀系数的影响。由于石英材料的软化点在2700℃左右，所以在常温范围内完全可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。

（3）在1.3～1.5μm的波长范围，认为热光效应在研究的温度范围内保持一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。

（4）仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温度效应。因为一般光纤光栅的尺寸仅为10mm左右，所以认为它处于一均匀温场并不会引起较显著的误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力的影响。

基于以上几点假设，可以得出单纯光纤光栅的温度传感模型。

3.光纤光栅温度传感器的仿真

设计一种光纤光栅温度传感系统：

温度范围为-20℃～80℃；

测量精度为±1℃；

光栅中心波长为1525～1565nm。

对于熔融石英光纤，其热光系数 ，线性热膨胀系数 。忽略波导效应，将 ， 代入式，可得中心波长分别为1331nm、1500nm、1550nm的裸光纤光栅的相对波长移位与温度变化的对应关系。可以看出，裸光纤Bragg光栅测量温度的线性度比较好，中心波长越长，灵敏度相对越好，测量也就越精确。但是总的来说，裸光纤Bragg光栅的灵敏度还是比较低的，所以实际运用中比较常用的改进方法就是将光纤光栅粘贴在温度灵敏度比较大的基底材料上，或者采用带有机械结构的光纤光栅温度传感器进一步提高灵敏度，达到更好的效果。

宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感FBG。由FBG反射后形成窄带光谱，通过线性滤波器得到两路出射光功率与波长有关的光信号。光电探测器PIN将其转换为电信号，进入信号采集处理电路提取有用信号，并由单片机控制系统实现数据采集与数据处理。

解调系统利用线性滤波的光波透过率变化特性来鉴别光波长。在线性滤波器的工作范围内，每一个波长对应一个透过率，因此检测透过率便可以反推出波长信息。因此，通过测量两路透射光功率的比值P1/P2，即可获得波长信息Δλ。同时利用双光路探测来消除光源功率波动和温度变化的影响，用信号采集处理电路和微控制器运算的精度将直接影响解调系统的检测精度。

结论

光纤光栅传感已被国内外公认为是最具有发展前途的高新技术之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。通过MATLAB进行仿真实验，进一步验证了光纤Bragg光栅传感的特点。最后根据实际需要，设计了一种剪刀型机械结构与线性滤波解调相结合的灵敏度显著提高的光纤光栅温度传感器系统。本文通过对基于光纤光栅的光传感器的研究，基本完成了其研究目的。

【参考文献】

[1]夏秀兰，童峥嵘，盛秀琴等。光纤光栅传感器的研究。天津大学学报，2002，35（4）：473-76

[2]余有光，谭华耀，廖信义等。免受温度影响的光纤光栅位移传感器。光学学报，2000，20（4）：538-542

光纤光栅传感器的设计 篇4

1 传感的原理

对于一般的光纤光栅而言,光纤光栅具有把符合布拉格(Bragg)条件的入射光耦合到反射模中去的作用,即可得[2]:λB=2neffΛ。

式中:λB为光栅的中心波长,neff为光纤的有效折射率,Λ为纤芯折射率的调制周期。

布拉格波长随应变和温度变化的关系为[2]:△λB=2neffA[(1-Pe)ε+ξ△T]。

式中:ε为轴向应变;ξ为光纤材料的热光系数;△T为环境温度变化;Pe为光纤的有效弹光系数。

光纤光栅布拉格波长变化与其两端的电压的关系为[3]:。

由上式,叮知,布拉格波长变化与其两端的电压成线性关系。

2 验结果及其分析

设计的新型电压传感器的结构如图1。

该电压传感器的制作,首先在压电陶瓷的两端加上合适的材料。本文用的是轻质铝皮,打磨得十分光滑,用胶水粘接在压电陶瓷的两端即可。然后再把一跟单模光纤压电陶瓷上面的铝皮粘结牢固。

电压传感器中的压电陶瓷是由淄博同明电子陶瓷有限公司生产,方形条状压的电微位移器,其规格为8820(mm)。压电叠堆片数为320片,压电应变常数d31>600pC/N。光纤光栅的布拉格波长λB=1550.145nm,再将以上数据代入式,即得:△λB=0.014U。

实验中,电压传感器性能测试示意图如图2所示。

光源为型号为AV6316的ASE光源,分析仪的型号为AQ63 1 9,驱动电路是以PA85A为核心的电路。实验时,分别调节驱动电路的电压,再测量光纤光栅的布拉格波长的变化情况。光纤光栅布拉格波长与电压的关系如图3所示。

由图可知,当电压变化范围为0～160V时,波长的变化与之的线性良好,其线性拟合度为=0.99。

最大调谐范围约为1.6nm。

3 结语

本文设计了一种新的电压传感器,该传感器的是在制作压电陶瓷的特殊封装结构的基础上,再巧妙地结合光纤光栅研制成功的。该电压传感器具有线性度好,所需电压相对较低,容易操作等优点。

参考文献

[1]刘颖刚,等.基于FBG的波长可调谐环形掺铒光纤激光器[J].光学精密工程, 2006,14(10):19-21.

[2]Morey W W,Meltz G,Glenn W H. Bragg-grating temperature and strain sensors Optical Fiber Sensors[J]. ProceediI of the 6th International Conference.OFS' 89,1989,5:26-31.

光纤光栅传感技术研究及应用 篇5

1 光纤光栅基本原理

光纤光栅有很多种类,目前,主要研究的有3种类型:一是FBG光栅又称短周期光栅,主要利用它的背向反射特征制作传感器;二是LPFG光栅又称长周期光栅,主要利用它的同向透射特征制作传感器;三是chirp光栅又称啁啾光栅,主要利用它的色散补偿特征制作光纤传感和光源的器件。光纤光栅分为周期性和非周期性的、长周期和短周期的、色散补偿型光栅和滤波型的。文中主要介绍的是FBG光栅,并对LPFG光栅进行简单介绍。

1.1 光纤布拉格光栅(FBG)原理

布拉格光纤光栅(简称FBG光栅)的制作方法很多,最早是1978年,加拿大渥太华通讯研究中心的K.O.Hill等人首次在参锗石英光纤中发现光纤的光敏效应,采用逐波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1]。在石英光纤上写入光栅,使之在光纤上形成周期性的光栅,通常周期小于0.5μm,称为布拉格光纤光栅,见图1。

布拉格光纤光栅波长λB计算公式为

式中,λB为光栅波长,n为有效折射率,Λ为光栅周期。

当光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化以及其他因素影响,会引起光栅的周期Λ或纤芯折射率n发生变化,从而造成λB反射光波长发生变化。在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前、后,检测其反射光波长λB的变化,就可以计算出光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化数值。布拉格光纤光栅主要研究是温度、应变和应力的检测[1]。

温度和轴向应力发生变化,会导致的光栅中心波长λB发生变化。表达式为

式中,ε为应变,P[i,j]为光压系数,v为泊松比,α为热胀系数,△T为温度变化量。

由式(2)可知,若温度和轴向应力任何一项发生变化,会导致的光栅中心波长λB发生变化。所以,必须对测量数据进行特殊计算和对传感器设计进行特殊技术处理,才能实现应变、应力和温度的精确测量。

1.2 长周期光纤光栅(LPFG)

长周期光纤光栅(LPFG)是相对FBG光纤光栅而言的,它比FBG光纤光栅的周期长很多,其周期可从几十微米到几百微米。它与FBG光纤光栅的工作原理不同,主要检测其透射波长的变化。它的数学模型比较复杂,是以空气为外包层的三层阶跃耦合结构,主要是基模与同向包层模之间的耦合,它的损耗峰较宽,有宽阻带滤波特性。具有后向反射率低、带宽宽等特性,它对应力、温度、外部折射率变化都有响应,而且对应力、温度变化的响应灵敏度比FBG光纤光栅高得多,对横向应力也有反应,是现在光纤光栅传感器的研究重点,利用其特点可研制出温度、振动、加速度、磁场、液体、气体等传感器,应用前景广泛。

2 光纤光栅传感系统

光纤光栅具有与传统电类传感器不可比拟的优点,具有分布式特点,可在1根光纤上连接多个光纤光栅传感器,分布式光纤光栅传感系统可以实现分布式多点准确定位、实时测量。所以,在对光纤光栅传感器进行进一步研究之外,还对光纤光栅传感系统的分布形式进行研究。分布式光纤光栅传感系统是在1根光纤上串接、并接多个光纤光栅传感器,每个光纤光栅传感器的工作波长必须不同,并且有一定间隔,不能重叠。

分布式光纤光栅传感系统又称准分布式光纤传感系统,可以实现多通道分布式实时监测。

光纤光栅传感系统主要由ASE宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调系统等组成。工作原理为:ASE宽带光源的宽带光经过耦合器进入光纤光栅传感器,光纤光栅传感器的反射波再经过耦合器,进入可调谐滤波解调系统,可调谐滤波解调系统对所有光纤光栅传感器反射波进行解调、计算、处理,得出每个光纤光栅传感器中心波长的变化数值,进而确定了空间分布的每个光纤光栅传感器的实际数据,在计算机屏幕上显示,见图2。

3 常见光纤光栅传感器

光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力多参数的准分布式测量上。温度和应力可分别制成2个光纤光栅传感器,分别对温度和应力参数进行测量,也可制成一个光纤光栅传感器对温度和应力参数进行同时测量。实现应变和温度参数同时测量的方案很多,但是从原理上分析,基本都是基于双波长矩阵法、双参量矩阵法、温度参考光栅法、温度(应力)补偿法和光强测温法等几种技术[2]。

3.1 光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器用来测量温度在(-30℃~+150℃)范围内的发热物体,可适用于各种测温场合,分辨率可以达到0.1℃,见图3;可应用于船舶、电力、核电站、水利、航空航天、煤矿、医学、消防等领域。具有本征安全、抗电磁干扰、精度高、分辨率高、可靠性高等优点。

3.2 光纤光栅应变传感器

该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距,适合大应变的较大范围监测,可埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内,如基础、桩、桥梁、隧道、衬砌等以便长期观测结构内部的应变量变化,也可用于病害工程凿孔(槽)埋入混凝土中观测病害的发展情况,见图4。该传感器的主要性能指标:量程根据需要可大于5 000με;测试精度(2~3)με;重复性误差小于0.6%;线性度误差小于0.9%。

3.3 光纤光栅钢筋计

光纤光栅钢筋计可测量基础、泥浆墙、预制桩、船坞、闸门、隧道衬砌等内部应力,可长期埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内,测量结构内部的钢筋应力,也可测量锚杆的应力,见图5。具有精度高、测试准确、性能稳定、布设方便、串联成网、便于长期监测等优点。最大拉应力:200MPa;最大压应力:100 MPa;分辨率:≤0.1%;精度<1%;使用温度范围:(-30℃~+70℃)。

3.4 光纤光栅渗压计

光纤光栅渗压计可埋设在水工建筑物、基岩内,或安装在测压管、钻孔、堤坝、管道和压力容器内,测量孔隙水压力或水位,见图6。压力范围:1~15 MPa;分辨率:≤0.05%;精度:<1%;使用温度范围:-30℃~+80℃。

3.5 光纤光栅加速度计

光纤光栅加速度计用于铁道桥高层建筑、钢结构等土木结构的振动检测/监测,见图7。量程:1~2 g;分辨率:≤0.1%;精度:<1%;使用温度范围:-30℃~+70℃。

另外,光纤光栅压力传感器可根据需要,制作成各种各样结构,来适合不同的用途。例如:光纤光栅智能地秤、光纤光栅智能锚头、光纤光栅智能拉索等。

4 光纤光栅的应用

光纤光栅传感具有传输距离远,不受电磁环境干扰,不产生电磁干扰,本质安全,不对易燃气体构成危险的特点,从而可在多领域中进行应用。一是在大型工程建设中,实现安全性能监测。如在桥梁中预埋光纤光栅传感器可实现温度、应力、形变等多参数监测。也可用于隧道顶板的岩石变形、压力变化、相对位移、层间压力的测量。二是可应用于地质活动监测。在地震与火山活动研究中可使用光纤光栅传感器测量岩石变形和震动,由于光纤光栅的无源特性,同时由于其传输距离远,较其他方法相比更有优势。三是在海陆空大型交通装置上进行温度、应力、振动及水位、油位的监测,保障设备安全,由于其测量过程中无电磁特点,既不会对其他系统构成干扰,也不会产生电磁泄露暴露目标,可应用于飞机、舰艇、火车、大型货车和大型客车中。四是在医疗领域中应用超小型光纤光栅传感器测量腹腔,关节,颅内的应力为医生诊断提供信息。同时由于光纤的非电磁特性,可与CT、核磁等检测手段同时进行[3]。

虽然光纤光栅传感技术有很好的应用前景,但要想实现其产业化,还需要解决若干问题。一是应用成本,光纤光栅传感技术的应用成本主要取决于传感信号解调成本。有限的几种实用解调手段其关键器件多数需要从国外进口,成本较高。二是还存在一些技术瓶颈需要突破,如光源带宽限制了单个通道可部署的光栅传感器数量;对双组分结构体测量多轴向的应变的测量;多通道测量中的时间与精度的提高;环境温度对应变、应力测量造成的误差消除等。

5 结束语

光纤光栅传感技术的优势正被工业界逐步重视,随着研究力量的投入,其技术水平也日益成熟,使其产业应用成为可能。不过,若干关键技术还处在实验阶段,尚不能大批量生产,离实用化还存在距离。

参考文献

[1]刘云启,刘志国,郭转运,等.光纤光栅传感器的调谐滤波检测技术[J].光学学报,2001,21(1):88-92.

[2]秦子雄,曾庆科,冯德军,等.光网络中光纤光栅构成的波长分插复用器理论及进展[J].物理学进展,2000,20(2):182-197.

光栅传感 篇6

关键词：光纤光栅传感器,虚拟仪器,数据库

随着技术的发展, 光纤光栅传感器广泛地应用在各个领域, 如电力电网、桥梁隧道、石油化工、航空航天, 实现了高精度、远距离、分布式和长期性监测的技术要求。本文针对光纤光栅传感系统, 提出了一种基于虚拟仪器技术的监测软件的设计与实现方法。为实际工程的管理提供了更加可靠的技术保障, 具有广阔的应用前景。

1 光纤光栅传感技术

光纤光栅是利用紫外光改变光纤材料性质, 在光纤上制作成的一种光学无源器件, 光纤光栅传感技术是利用测量环境对光纤的影响, 将所探测的物理量转化成光束波长的一种新一代光学传感技术。

光纤光栅的传感过程可以依据耦合模理论分析。当光入射到光纤光栅后, 对于满足布拉格条件的入射光会发生反射, 该反射光谱在布拉格波长位置处出现峰值, 其波长公式为λB=2neffΛ。当外界因素发生变化时, 会引起光纤光栅发生微小形变, 使Λ或neff发生变化, 致使光纤光栅的中心波长值发生改变, 产生传感效应, 然后由该波长值即可以计算出待测物理场的变化。

2 虚拟仪器

虚拟仪器采用特定软件在计算机屏幕上构成仪器面板, 同时配置相应硬件, 使计算机可以完成多种仪器功能。虚拟仪器的实质就是充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。

Lab VIEW是由美国NI公司开发和推出的, 是虚拟仪器软件开发工具之一, 可以应用在实验室、研究所和工业界。该软件采用的编程方式基于图形化, 提供了大量的工具和库函数, 满足了数据的采集、分析、显示以及存储;软件中采用向导式工具, 通过提示进行一步步操作, 完成与仪器的连接和参数的设置。

3 监测软件组成

3.1 数据采集

实验采用的解调仪器是通过TCP网络接口与Lab VIEW软件进行数据交换的。因为TCP网络接口是采用字符串格式发送数据的, 所以接收时要对接收数据进行处理。在数值处理程序中要将接收到的字符串转换成字节数组;然后将传输来的8位数据, 两两合并转换为16位数据, 最后将16位数据进行关系换算, 即可得到所需的光纤光栅中心波长数据。

3.2 海量存储

当监测的数据量很庞大时, 传统的文本存储容量已经不够用, 例如人们常用的Excel表格, 用它存储数据时, 每个表格只能存储65535行数据, 当一个Excel表格数据存储满后, 剩余的数据量只能重新建立表格继续存储, 应用起来很不方便。本监测软件采用采用SQL数据库解决了这个问题, 完成了海量数据的存储。

由于Lab VIEW软件不能直接访问数据库, 所以要先建立相应的连接。具体过程如下, 首先在NI公司网站上下载免费的Lab SQL压缩包, 解压到Lab VIEW目录里user.lib内, 然后启动软件, 会在用户库中发现Lab SQL模块。图1为数据库访问与存储模块。

3.3 超限预警

温度超限报警模块可以监测多点温度。当监测温度在温度设定范围内, 监测软件正常运行, 当监测温度超出设定范围后, 监测软件会发出声光报警, 提醒工作人员有异常情况发生。图2为温度报警模块。

4 监测软件测试结果与分析

本监测软件测量数据如图3所示。本监测软件对工厂设备的温度进行了多点实时监测, 测量结果可靠, 对工厂设备的正常运行提供了重要的保证依据。

基于虚拟仪器的光纤光栅传感监测软件测量精确, 数据可靠, 使用方便, 可以应用在安全监测、安防等方面, 有着很好的应用前景。

参考文献

[1]林升德, 侯丹.光纤光栅感温监测系统在电力设备接点测温中的应用[J].电气时代, 2007 (11) :98-100.

[2]李军.光纤光栅测温系统在电力电缆温度在线监测中的应用[J].华东电力, 2005, 33 (12) :61-63.

光栅传感 篇7

近年来,智能材料结构、结构健康监测(Structure Health Monitoring,SHM)等领域发展迅猛,且越来越多的应用于航空航天、空间站健康监测、桥梁大坝健康监测、海底光缆维护等方面。这方面的发展带动了传感器网络优化布置及传感器性能方面的许多研究[1,2]。为了使传感器能够发挥出最大的性能,既要满足高的利用率又要控制成本,这就需要选择合适的传感器,同时对传感器进行符合自身特点的合理布置。由于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG,以下简称光纤光栅)传感器的诸多优势,越来越多的研究及应用倾向于采用FBG。但关于FBG自身敏感范围的研究始终没有与实际应用相结合,相关研究仍然很少。本文对FBG的敏感范围进行了探索,并提出了一种贴合FBG传感器特点的传感器网络优化布置方法,以达到合理利用传感器资源、优化传感网络性能的目的。

1 光纤光栅传感器

光纤Bragg光栅作为传感原件,具有其他传感器无可比拟的优点:传感器的信息用波长编码,而波长参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响。由于很容易在一根光纤中连续制作多个光栅,所制得的光栅阵列轻巧、柔软,与时分复用和波分复用技术相结合,适于作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面,对温度、压力、应变等实现多点检测[3,4,5,6]。

目前各项研究都倾向于将传感器的敏感范围视为一个圆形[7,8,9,10],这样做的好处是结构完全对称,易于处理,同时也符合大多数传感器的真实情况。然而对于光纤光栅传感器来说,它所特有的轴向敏感性决定了其在各个方向上受到相等的应力时产生的波长漂移一般是不同的,也就是说它的敏感范围并不是一个标准的圆形,而有可能是一个椭圆形或者其它形状。

FBG的波长漂移∆λBS和它所受的轴向应变∆ε的关系式如式(1)所示:

式中:是光纤的弹光系数,一般由式(2)确定,即:

式中:11和12是光纤的光学应力张量分量;ν是泊松系数。可以通过实验测出,Moery[11],Rao[12]等做过这方面的实验研究。由于加速度、超声波、力等物理量都可以转化为应变来测量,所以在测量这些参数时式(1)和式(2)同样适用。

一般来说,FBG轴向受到应力会使光栅栅距发生变化,且变化量与波长漂移成线性关系;横向应力作用于FBG时会使光纤直径发生微量变化,这种变化又会使得光传输延迟发生微量变化,但这种变化相比于光纤有效折射率和栅距的变化常常是可以忽略的。

2 光纤光栅传感器敏感区域模型

传感器敏感范围(覆盖范围)是传感器网络的基础因素,表征传感器对目标区域探测几率的量度。一般来说,传感器探测范围模型包括Boolean模型和探测率模型等。Zou、Chakrabarty[13]的最新研究中提出了更多贴合实际的探测模型。在Boolean模型中,传感器探测范围是以传感器为圆心、传感器探测距离为半径的一个圆。只有在此圆的范围中探测才是可控的,也即是说,当被监测目标处于此圆范围内时,它被该传感器探测到的几率为1;否则几率为0。然而在实际应用中,目标被探测到的几率并非只有这两种情况,而是取决于目标与传感器的距离、传感器的物理特性、目标周围的传感器数量以及其他种种多变的因素。

本文假定传感器对目标的探测几率与两者间的距离成指数关系变化。即:若目标与传感器的距离为d,则该目标能够被传感器探测到的几率为P(28)exp(-d)[7,8,14]。参数可作为传感器性能和探测几率随距离衰减速度的量度。显然,当被监测目标与传感器重合时,探测几率为1。被监测目标距离传感器越近,传感器监测到该目标的几率越大,反之越小。设置m为传感器探测阈值,当传感器监测到目标的概率大于m时,认为该目标可以被探测到,此时可以说该目标点已被传感器覆盖;否则该点不能被传感器覆盖。m值的选定会影响到实际应用中目标定位的精度。该模型的描述见图1。

假定传感器布置在点i,被监测目标位于点j,则用Pij来表示传感器探测到该目标的几率。传感器的探测几率应该满足如下关系:

实际上,由于光纤光栅传感器的轴向敏感性,即光纤光栅传感器在轴向受力时波长漂移量要大于在横向受同等应力时产生的波长漂移,所以对于光纤光栅传感器来说,需同时考虑传感器的布置方向。由于光纤光栅传感器轴向敏感性的影响,式(3)需要同时加入一个辅助条件θ,当θ取值不同时对应不同的值。作者同时认为,θ与满足一定的函数关系。对于此模型的描述见图2。为了便于问题描述,文中假定传感器轴向为θ=0方向,横向为θ=90方向。

显然,若得到θ与α满足的关系式,将其代入式(3),则可得到布置在i点的FBG传感器对于信号源的探测几率Pij;假定探测区域一共有N个传感器,则所有传感器对于信号源j的联合探测几率为

若探测区域内共有M个信号源,那么传感器网络对于所有信号源有探测几率均值:

亦可知丢失几率均值为

则传感器优化布置的目标为使式(5)结果最大化,也就是使式(6)最小化。式(5)即为传感器优化布置的优化准则。

3 光纤光栅传感器敏感区域探测实验

在这一部分,本文将对上面提出的光纤光栅敏感范围模型进行实验验证。基于第二部分的模型,分别在FBG传感器轴向夹角0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°方向的直线上,从距传感器6 cm开始,每间隔2 cm取一个测试点,每一方向共选取10个点来进行测试。同时采用配重块1 kg、3 kg及5 kg分别进行上述测试过程。图3描述了这一过程。

通过实验及后期数据处理得到的部分曲线见图4。图中每个曲线均为配重块由最近点开始间隔2 cm在实验区域施加应力造成的布拉格波长漂移。

由图4可以看出,配重块距离传感器越近,传感器的波长漂移越明显,随着配重块距离传感器越来越远,波长漂移逐渐减小,整个曲线成指数型衰减。从0°开始到90°结束,波长漂移曲线的衰减越来越慢,即灵敏度越来越好,这说明该光纤光栅传感器在横向拥有最好的灵敏度(通过参数表征),这是由于传感器封装、布置方式等使得光纤光栅传感器在90°方向测量时同样的作用力可以引起更大的光栅栅距变化。

取得波长漂移曲线后,采用拟合函数y(28)y0(10)Aexp(-R0x)对实验数据进行拟合,其中y代表传感器中心波长漂移量,x代表配重块距离传感器的距离。所有曲线拟合结果均符合拟合函数,其中的一个示例见图5。

对数据进行相关运算后,可求得FBG传感器在各方向上的衰减系数。本文继而在0到90°角的范围内,选取半径为16 cm的一段圆弧,从轴向0°角开始逆时针方向取编号为1到13共13个等间距的点进行测量,计算这13个方向上的值,结果见表1。对表1数据进行处理,得到该FBG传感器的敏感范围,见图6。由于FBG传感器的结构对称性,只需测量0~90范围即可。图6中纵坐标表示FBG传感器探测距离比率,在实际应用中选取不同的探测阈值即可根据此比率换算出具体探测距离。

同时对表1的数据进行拟合,得到角度θ(°)与a近似满足以下指数关系式:a(28)aexp(bq),其中a=0.275 43,b=-0.021 67,0°≤θ≤90°。

4 FBG传感器优化布置仿真

得到光纤光栅传感器的敏感范围,即可以利用该敏感范围进行传感器网络的优化布置。由于该敏感范围相比于其他传感器多出一个角度因素,即在传感器优化布置中,不仅要考虑传感器的布置位置,还要考虑传感器布置的角度,这一方面在国内外相关研究中尚无人提及。

根据上文得到的优化准则,为了计算方便,选取式(6)为优化布置的目标函数,称式(6)的结果为适应值。算法优化的目标为得到该适应值的极小值。本文采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)来进行优化计算。粒子群算法是模拟鸟群的捕食行为而发展起来的一种组合优化问题智能型解决方法[15]。由于它具有设置参数少、无交叉、变异等特点,得到了广泛应用。

选取SHM中常用的平板结构作为优化配置对象,平板规格为1 m1 m;将平板进行网格划分为共计100个节点。优化布置的目标是将传感器以合适的位置和角度配置在平板上,使传感器网络对于整个平板的信号源(即100个节点)的覆盖率最大,即式(6)表示的适应值最小。对于不同的应用,可设定不同的适应值阈值,当适应值小于此阈值即认为配置合理。本文设定适应值阈值为0.01。

仿真结果如图7所示。图中横坐标代表迭代次数,纵坐标代表适应值。当传感器数量为9时,适应值为0.010 048 1,与设定值0.01十分接近,可以认为此配置合理。此时传感器的可能位置和角度如表2所示。

作为比较,本文同样计算了不考虑布置角度时传感器网络的适应度,分别令所有传感器布置角度全为0、全为45以及全部随机取值,计算这三种情况下传感器网络的适应值,见表3。

通过结果比较看出,不考虑布置角度时传感器网络的适应值要劣于考虑布置角度的情况。显然,对于类似于光纤光栅传感器这样的各方向探测距离不同的传感器,在优化布置时考虑传感器的布置角度是十分必要的,可以最大化的发挥传感器的效用。同样,对于拥有一定探测角度限制的传感器,如摄像头等,也可以采用该方法进行优化布置。

5 结论

光栅传感 篇8

光纤布拉格光栅作为一种新型的传感器件, 在压力 (应变) 参数监测方面具有其他传感器件无法比拟的优点。生产测井是测井技术的重要内容之一, 通过对生产井测井数据进行分析, 可以了解整个油区的开发状态, 从而调整、优化油田开发、生产方案, 提高原油采收率[1,2,3,4,5,6,7]。目前用于动态监测的生产测井技术主要是电子测量仪器, 自身存在很多不足, 如井下电子部件长期工作漂移问题、可靠性问题;每次测量时生产井必须停产;井下作业和生产成本过高;测量数据不能实时、在线、准确地反映井下动态情况等。光纤Bragg光栅传感技术除了能很好地弥补这些缺点外, 还具有传输损耗小, 抗腐蚀、抗电磁干扰、可组网、在一跟光纤上就可实现实时、在线、分布式测量等优点, 非常适合用于生产井中测量井下各种参数 (温度、压力、流量、应变等) , 能够为油田的动态监测提供一种有效的技术手段。

本文设计一种悬臂梁结构, 对光纤布拉格光栅压力 (应变) 传感特性进行研究。

2、实验方法

采用悬臂梁与光纤光栅相结合的方法来进行应变传感特性测试 (图1) 。

它是一端固定, 另一端自由的梁结构, 设梁的厚度为h, 长度为L, 则当梁的自由端发生位移f (可由微位移调节器来控制读数) 时, 粘贴在悬臂上的光栅将发生拉应变或压应变, 根据材料力学的原理, 可以推导出光纤Bragg光栅波长移动量与梁的自由端位移f的关系[8,9,10,11]

式中Ρe为有效弹光系数, x0为考察点。

上式可变为:

显然, 从上式中可以看出, 光纤光栅波长移动量与悬臂梁自由端位移f成线性关系, 通过测量悬臂梁自由端位移的大小, 即可得到光栅波长移动量ΔλB, 如果将悬臂梁自由端与待测物相连, 可通过测量Bragg波长移动量来确定待测物位移的大小, 从而达到对光栅进行调谐的目的。

3、实验原理

实验设备包括:宽带光源、裸光栅、光纤B r a g g光栅解调仪、耦合器、三角形悬臂梁、微位移调节器、快干胶、改性丙烯酸树脂等。

实验原理:应变会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化, 从而使光纤光栅的反射谱和透射谱中心波长发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱中心波长的变化, 就可以获得相应的压力、应变信息, 反过来, 若知道了压力、应变信息, 就可以测出光纤光栅反射谱和透射谱中心波长的变化, 图2为实验测量原理示意图。

本实验所用等腰三角形悬臂梁的底边为168.0m m, 高为138.0mm, 材质为弹簧钢, 裸光栅的中心波长为1554.4367nm, 所用光谱分析仪为自行组建, 精度为±3Pm。裸光栅粘在三角形悬臂梁中垂线靠近悬臂梁根部的地方 (图2) , 目的防止在应变过程中光栅产生啁啾现象。

4、实验结果及分析

实验温度为室温, 从微位移调节器的24mm刻度处开始, 每下降1mm测量三次, 然后取平均值作为测量值, 目的是减少实验误差, 直至13mm。不改变实验环境, 调节微位移调节器, 从13mm开始测量, 每升高1m m测量三次, 直至24m m。采用同样的实验方法进行第二次测量, 图3、图4和图5为实测数据拟合图。

由图3、图4可以看出粘贴在三角形弹簧钢片上的光纤光栅中心波长和微位移调节器的位移量之间呈非常好的线性关系, 4次实验测量数据拟合的R2最小值为0.9985;4次测量的重复性较好, 拟合的灵敏度相差很小。

由图3和图5可以看出, 第一次测量上升阶段在22cm以后重复性不好, 尤其在22cm处, 误差较大, 分析认为造成误差的原因主要是由于人为读数原因或者三角形弹簧刚片受力发生形变, 当施加压力撤除后, 弹性元件会表现出残余变形、弹性滞后、和弹性后效等现象。

当然还有其他的一些因素会对实验造成误差, 比如光线光栅的粘贴质量问题造成的误差, 由于光纤光栅的粘贴不理想, 光纤光栅与悬臂梁之间是非刚性连接的, 悬臂梁弹簧钢片自由端位移引起的应变并不能完全作用于光纤光栅上等。

由式 (1) 可以看出, 调谐系统的灵敏度与悬臂梁长度L、厚度h以及光纤光栅的粘贴位置x0有关。增大梁的厚度h, 减小梁的长度L, 使光纤光栅尽可能接近悬臂梁固定端, 均可以有效地提高系统的灵敏度。

5、结语

本系统将光纤光栅与三角形悬臂梁结构相结合, 实现了光纤光栅的位移 (压力) 调节。系统结构简单、动态范围较大、线性好、抗电磁干扰, 并可实现再线监测。通过改进悬臂梁结构, 还可以进一步提高系统的响应特性。

摘要：压力参数测量是油藏动态监测一个重要指标。设计一种悬臂梁结构, 在室温下对光纤Bragg光栅压力传感特性进行研究。实验结果表明, 粘贴在三角形弹簧钢片上的光纤光栅中心波长和微位移调节器的位移量之间呈非常好的线性关系, 4次实验测量数据拟合的R2最小值为0.9985;4次测量的重复性较好, 拟合的灵敏度相差很小。调谐系统的灵敏度与悬臂梁长度、厚度以及光纤光栅的粘贴位置有关。增大梁的厚度, 减小梁的长度, 使光纤光栅尽可能接近悬臂梁固定端, 均可以有效地提高系统的灵敏度。

关键词：光纤布拉格光栅,压力,传感特性,实验研究

参考文献

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分布式光纤光栅传感的研究与发展 篇9

分布式传感是光纤光栅传感技术得以推广的原因之一, 它利用光纤布拉格光栅中心反射波长值的不同来识别网络中各点的变化状况, 不仅实现了大范围测量场内分布信息的提取, 还解决了目前测量领域的许多难题, 成为国内外的研究热点之一。与其它形式的传感器相比, 分布式光纤光栅传感器具有以下不可替代的突出优点:①抗腐蚀、抗电磁干扰, 并能在恶劣的化学环境下工作;②传感头尺寸小 (标准裸光纤为125um) 、结构简单且质轻, 因此具有良好的可掩埋性;③耐温性能好 (工作温度可达400～600℃) ;④可形成各种光纤光栅传感网络, 不仅可实现大面积的多点测量, 还可实现较强能力的复用;⑤可对多项参数进行同时测量;⑥潜在的低成本;⑦传输距离远 (长达几公里) ;⑧测量结果具有很好的重复性。

1.1 分布式光纤光栅传感的分类

分布式光纤传感器可分为完全分布式光纤传感器和准分布式光纤传感器二种。完全分布式光纤传感器是利用一根光纤实现对整个测量场的测量, 并同时获得被测量随空间和时间变化的分布信息, 其光纤不仅能传输信号, 还是敏感元件;而准分布式光纤传感器是将多个点式传感器组合起来从而实现测量场的分布式测量, 其光纤仅能传输信号, 不作为敏感元件。

(1) 完全分布式光纤传感器。

完全分布式光纤传感器是只使用一根光纤作为敏感元件, 其光纤既可作为传感元件, 又可作为传输元件, 可以在整个光纤长度上实现对沿光纤分布的环境参数的连续测量, 同时也可获得被测量随时间变化的信息和其空间分布状态。与传统传感器相比, 它消除了其存在的传感“盲区”, 不再受传统的单点测量的限制, 在真正意义上实现了分布式光纤传感。其基本原理如图1所示。

(2) 准分布式光纤传感器。

准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的, 其光纤不作为传感元件, 只作为传输元件, 其敏感元件为多个点式的传感器, 它们采用串联或各种网络结构形式连接起来, 利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统, 进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布, 也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息, 但它只能得到某些离散空间位置上的传感信息, 仍存在一定的传感“盲区”。其基本原理如图2所示。

1.2 分布式光纤光栅传感技术

FBG (光纤布拉格光栅) 传感系统的主要性能指标有:组网规模、响应速度和解调系统的分辨率。在这3项指标中, 组网规模由解调系统的信噪比、网络的拓扑结构及光源的发射功率等因素决定, 响应速度由解调技术和组网规模决定, 而分辨率则取决于传感系统所采用的解调方法。目前, 应用相对比较广泛的光纤光栅信号解调方法主要有匹配光纤光栅滤波法、边缘滤波法、非平衡扫描迈克尔逊干涉法、可调谐F-P滤波法、可调谐窄带光源法以及衍射法等。下面就这几种解调方法进行简单的对比, 如表1所示。

近几年, 对于光纤光栅传感器的信号复用技术, 国内外已经开展了广泛而深入的研究。截止到目前, 关于信号复用技术的研究也很多, 光纤光栅复用技术主要有波分复用 (WDM) 、时分复用 (TDM) 和空分复用 (SDM) 。下面就这几种复用技术的优缺点进行简单的对比, 如表2所示。

2 传感器的布置与故障定位

在实际检测应用中, 较常用的是准分布式传感器, 也称为点传感器, 即通常所说的分布式光纤光栅传感系统。在设计光纤光栅传感系统时, 应尽量做到在只采用一两根光纤的情况下能尽可能多地寻址传感器, 并能最有效地利用光能, 减小串扰的同时保证每个传感器的性能等。又鉴于光纤光栅可以十分灵活地串并接, 并且对压力、振动和温度等多种参量能进行实时测量。因此, 可以将光纤光栅以一定的形式串并接, 构建成线阵、面阵, 甚至体阵的传感网络, 应用于大型结构的实时监测中。

2.1 传感器的布置

对于准分布式光纤传感系统, 存在传感器测点如何布置的问题, 如果其测点设计不得当, 包括测点数目不足或过多、布置不合理、测点有效性和针对性不佳等, 不但会影响到结构安全性评估的可靠性和准确性, 还容易造成过高的施工费和无效检测, 严重影响其经济性能和使用效果, 所以监测点的选择和传感器的布置极为关键。

(1) 基本布置方式。

准分布式光纤传感系统是由多个分立式的光纤传感器按照一定的拓扑结构、离散地组合起来的多路复用系统, 对于受力和架构较为简单的结构, 其传感器的布置方法可采用以下简单的布局方式。其结构如图3所示, 图中FOS为光纤传感头, C为光耦合器, SC为星型耦合器。

(2) 特殊布置方式。

对于其它大型结构, 受力较为复杂, 要考虑其独特的结构特点。因此, 应首先对被检测对象的典型损坏和结构特点进行分析, 并结合光纤光栅传感器的特性和原理, 对被检测对象的结构强度进行分析 (可采用数学算法, 如有限元分析法) 。了解其重点位置的应力分布情况, 即可合理地推断出该结构监测点的位置以及传感器的布置方法, 其具体步骤如表3所示。

2.2 故障定位方法

在结构故障检测之前, 要对检测系统传感器的位置进行编号和分类, 并通过屏幕地图的方式显示出各个监测点的编号以及其对应在结构上的具体位置, 以便于数据结果的统计和分析。采集得到数据后, 我们就可通过一些算法或利用一些软件来进行故障定位, 但这些方法的原理大多较复杂, 在此, 介绍一种利用挠度矩阵来进行故障定位的简单方法:首先利用光纤光栅传感网络进行结构应变的测量, 进而可得到结构未受损前的挠度矩阵;用同样的方式, 测量得到受损结构的挠度矩阵;分析故障前后其挠度矩阵的变化, 即可计算出故障定位向量, 进而可确定结构的损伤区域。该挠度方法实现了结构故障的准确定位以及对结构健康状况的实时监测, 其核心可由式 (1) 表示。

[FD-FU]L=ΔF·L=0 (1)

式 (1) 中, L矩阵为一力矩阵, FD和FU则分别表示结构受损前后的挠度矩阵。L矩阵的列向量为故障定位向量DLV (Damage Location Vectors) , 将该故障定位向量加于平板上, 测量其应变, 根据最小应变能原理和DLV理论, 故障位置的应变应为0。因此, 对于每一个负载DLV向量, 首先使其作用于目标结构上, 然后找出内部应变为零的单元, 最后取各故障定位向量对应应变为零单元的交集, 即是受损区域。

式 (1) 的解有两种可能, 第一种解是△F=0, 表示结构无故障, 对于故障定位的研究没有任何意义;第二种解是L为△F的右零空间, 显然, 如若△F不等于0, 则可通过计算出△F的右零空间进而得到L矩阵, 这也正是我们所需要研究的DLV向量。F的计算公式为:

undefined

式 (2) 中, f是在传感器坐标下的负载向量矩阵, F是挠度矩阵, △是相应的位移向量 (由光纤传感器测量得到) 。

3 分布式光纤光栅的应用与发展

光纤光栅 (FBG) 传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外, 还具有波长编码, 抗干扰能力强等特性。另外, 它较易于在一根光纤中连续写入多个光栅, 以制成分布式光纤光栅传感, 制得的光栅阵列轻巧柔软, 可与波分复用或时分复用技术等相结合, 且十分适于作为分布式传感元件贴于结构表面或埋入到材料和结构的内部, 以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测, 这对于目前国际上热点研究的灵巧结构、智能材料具有十分重要的意义。正是由于其具有许多独特的优势, 即可解决许多传统传感器无法解决的难题, 因此, 自从它问世以来, 就被广泛应用于机械、交通、电力、医疗、石化、航空航天以及民用建筑等各个领域。

4 结束语

目前, 分布式光纤光栅技术还处于研究阶段, 要完全满足各种大型设施高精度、高可靠的监测要求, 广泛应用于实际中, 不仅需要理论知识的支持, 更需要通过大量的试验验证, 并根据经济性能进行优化, 才能得到较佳方案。因此, 只有通过大量的实验, 得出更有意义的结果, 才能使分布式光纤传感技术进入到实用化阶段, 才能在国防建设和国民经济的众多领域中发挥其巨大的作用。

摘要：分布式传感是光纤光栅传感技术得以推广的优点之一, 它利用光纤布拉格光栅中心反射波长值的不同来识别网络中各点的变化状况, 不仅实现了大范围测量场内分布信息的提取, 还解决了目前测量领域的许多难题。简单介绍了布式光纤光栅传感的分类及其解调技术和复用技术, 深入研究了分布式光纤光栅传感系统中传感器的布置方式和故障定位方法, 并介绍了分布式光纤光栅传感的应用和发展现状。

关键词：分布式光纤光栅,传感器布置,故障定位

参考文献

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