一种新颖的光纤光栅位移传感的研究
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!+3’,.5’f g h i j k l l m n k o pq n m r s t l u k o i v i h w t i h t s h xy k t i rn ho p s m li q q i o w n q q s y i m z m k x xx m k w s h x{h r i m t w m k s h|x m k r s i h w s t l m n l n t i rk h rr i v n h t w m k w i rs hw p s t l k l i m b}p i w p i n m i w s o k u k h k u~t s t k h rw p i i!l i m s v i h w k u q s w w s h xo{m"ik m ix s"i h b}p im i t i k m o p i ts h r s o k w iw p k w w p it~t w i v p k tk r"k h w k x i tn q t s v l u io n h q s x{m k w s n h C x n n rh n s t i s v v{h s w~C k h rx n n ru s h i k m s w~S k y n{w^b###$e b
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一种新颖的光纤光栅位移传感的研究+
童峥嵘C黄勇林C蒙红云C董新永C开桂云C董孝义
S南开大学现代光学所C天津]^^^_‘e
摘要f本文提出了一种新颖有效的光纤光栅位移传感方法C将光纤布喇格光栅在梯度应变作用下产生的啁啾效应
用于传感测量C理论上分析了传感的原理C实验上得到了线性度很高的响应b研究表明C本传感系统结构简单C操作
方便C线性好S^b###$e b
关键词f光纤光栅*位移*啁啾
中图分类号f},$‘$b‘-文献标识码f g文章编号f‘^^./#-#^S$^^$e^‘/^^‘^/^-
‘引言
近年来C光纤光栅S)z0e在光通信和传感领域受到人们广泛地重视1‘2-3b作为传感元件C光纤布喇格光栅具有灵敏度高4抗电磁干扰4结构简单4体积小等优点C真有其它传感元件所无法比拟的传感信息波长编码和易于实现分布式传感的特点C使得对大型建筑物S如水库大坝4桥梁4飞机和潜艇e或长距离信号网络S如海底光缆e的实时监测成为可能b 本文提出一种新颖的光纤光栅位移传感方法C 将光纤布喇格光栅斜向粘贴到矩形截面弹性梁侧面上C通过调节悬臂梁自由端的位移C使弹性梁在不同层面上产生梯度应变C利用布喇格光栅在梯度分布作用下产生的啁啾效应C实现对光纤光栅位移传感测量b本传感系统结构简单C具有线性度高C操作方便C抗电磁干扰C可实现分布式传感等优点C因而可望得到实际应用b
$基本原理
由耦合模理论C光纤布喇格光栅S)z0e方程为1-3
5z6$?i q q7S‘e 式中f5
z
为光纤光栅的布喇格波长C?
i q q
为有效折射率C7为光栅周期b温度和光纤沿轴向的应变是引起布喇格波长发生变化的两个独立变量b当温度不变
时C应变对5
z
的影响是通过改变光纤光栅的光栅常
$^^$年]月
传感技术学报第‘期
+来稿日期f$^^‘|^8|$.
基金项目f国家自然科学基金资助项目S9^^__^‘$C9##__^^9e
数和光栅位置的折射率!光纤布喇格光栅的中心反射波长变化"#与其轴向应变$%&
成正比’即("#)#*+,-./01$%&,21其中’/0为光纤的有效弹光系数’它与弹光效应有关’
/0+,32
)214,-.51/-2.5/--6,71二氧化硅光纤的折射率3+-!89’泊松比5+:!-9’
弹光系数/--+:!-2;/-2+:!2<’则/0
+:!22
!T
,81
其中’Q ,S 1为考察点O :距中性面的距离’T 为该点处的曲率半径’它与材料的杨氏模量U ;该点弯矩V 以及所在截面关于W 轴的惯性矩X 有关
T+
U X
V
,Y 1
对于任一考察点O :处’
作用载荷/与作用点到考察点的距离的乘积即为弯矩V ’其表达式为
V +,P.O :
1/,91假设梁自由端的挠度不大且忽略梁自身重量的情况下’自由端位移R 和作用载荷/之间的关系为
R+/P 7
7U X
,<1
把式,Y 1Z 式,<1分别代入式,81’可得考察点O :处
沿O 轴向应变与自由端位移R 关系为
$[O +
7Q ,S 1,P.O :
1P
7
,\1对于图-所示的结构’在梁的厚度和位移比较小的情况下’光栅各部分的轴向与所在层面的夹角可以认为是常量’即为N ’Q ,S 1+SA H ]N ’其中S 的大小表示各厚度层与中性面的相对距离!代入式,\1’可得光纤光栅的各部分轴向应变$%&与自由端位移R 的关系为
$%&+7SA H ],N 1,P.O :
1P
7
R ,^1即当R 一定时’光纤光栅轴向应变将随S 按照梯度变化!对于长度为_的光纤光栅’将其分为很多小段’每相邻两段的厚度差为‘S ’因此_a P ’假设在每一小段上的应变是相同的’利用式,21和式,^1’可得相邻两小段光栅的布喇格波长差为
‘#+7#*,-./01A H ]N ,P.O :
1P
7
R ‘S ,-:1整个光栅的带宽是各小段光栅波长变化的总和’对上式积分’可得到光栅带宽展宽"#A B E G b 与位移R 的关系
"#A B E G b +c _‘#+c
_
7#*,-./01A H ]N ,P.O :
1P 7
R ‘S +
c
_
:7#*,-./01A H ]N ,P.O :
1P
7R ]E J N F _+-!Y #*_R ,P.O :1,-./0
1]E J ,2N 1)P 7
,--1显然’调谐后的光纤光栅反射谱的带宽与悬臂梁的自由端位移R 成线性关系’
通过测量带宽便可确定悬臂自由端位移R 的大小!
7实验结果和分析
一种新颖的光纤光栅位移传感的研究
掺锗光敏光纤以相位掩膜法自行研制的!其长度"为#$%%!自由状态下的布喇格波长为#&&’()
*%!反射带宽为)(+&+*%(粘贴后的光栅中心距梁的固定端的距离,
)
为##%%!光栅的轴向与梁长的
夹角-为$).(自由端的位移/由螺旋测微器调节(自制的宽带光源01123发出的光经+41耦合器到达光纤光栅!被反射后又经+41耦合器送到光谱分析仪05263!与光纤光栅同侧的+41耦合器一端置于匹配液789之中以消除反射光(通过光谱分析仪测量光纤光栅反射谱的带宽变化!便可确定悬臂梁自由端位移/的大小(在室温为$):时!图+为实验中在位移/从)调到+(&)%%过程中得到的光纤光栅反射谱(从图中可以看出光纤光栅的反射谱带宽从)(+&+*%展宽到’(;<&*%的过程中!其反射谱带宽几乎以中心波长=
)>#&&’()*%
为对称! =)的微小漂移与光纤光栅的粘贴程度及梁的均质程度有关(反射谱的两边各有一个较高的反射峰!且峰值相近!这种现象是由于光栅上的应变梯度不均匀而造成的(两个边峰的强度有一定的差异!我们认为这主要是由于所用的宽带光源的光谱沿长波方向呈一定下降趋势产生的(若宽带光源的光谱平坦化程度得到进一步提高!则两边的峰值强度将趋于相同
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