新型光纤Bragg光栅振动传感技术
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种利用光纤中的布拉格光栅实现光波频率选择与调制的技术。
它在光通信、传感器等领域具有广泛的应用。
本文将从原理和技术特征两个方面来详细介绍光纤布拉格光栅技术。
光纤布拉格光栅的原理可追溯到布拉格散射理论。
布拉格散射是指当一束光波经过一个均匀光周期结构时，会在每个周期出现反射或透射，形成和入射光波相干的反射光波。
布拉格光栅是一种具有空间周期结构的光学元件，由一系列等距离的折射率变化组成。
光纤布拉格光栅则将布拉格光栅结构移植到了光纤中，形成了一种具有周期性折射率变化的光纤元件。
光纤布拉格光栅一般采用两种方法制备，即直写法和光干涉法。
直写法是指通过高能激光束直接照射在光纤的芯部，通过光纤材料的光学非线性效应和热效应来形成布拉格光栅结构。
光干涉法是指将两束光波通过干涉结构产生干涉现象，经过光纤芯部后，在折射率变化的作用下形成布拉格光栅。
1.高可靠性：光纤材料的插入损耗低，与光纤之间的耦合效率高，使得光纤布拉格光栅具有较高的传输效率，并且能够长时间保持稳定的性能。
2. 宽带性：光纤布拉格光栅的制备工艺已经趋于成熟，能够制备出能够覆盖整个光通信波段（1260~1650 nm）的宽带布拉格光栅。
3.稳定性：光纤布拉格光栅在光纤中的固定度较高，不易受到外界环境的干扰，能够长时间稳定地工作。
4.温度和应变传感：由于光纤布拉格光栅的折射率与温度和应变有关，因此可以通过测量布拉格光栅的中心波长偏移来实现温度和应变的传感。
这种传感技术具有高灵敏度、快速响应和长距离传输等优点，在工业和生物医学领域有广泛的应用前景。
5. 光互联和光波长多路复用：光纤布拉格光栅可以用作光纤互联中的微型光学件，实现在光纤网络中的信号调制、调整和复用等功能。
同时，光纤布拉格光栅也可以用于光波长多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）系统中，实现光路的选择和分离。
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理光纤布拉格光栅传感器，简称FBG传感器，这可是个神奇的东西哦！它不仅可以测量温度，还能测量应变，简直就是个万能的小助手。
今天，我就来给大家聊聊这个神奇的小家伙是怎么工作的，让我们一起揭开它的神秘面纱吧！我们来了解一下FBG传感器的基本结构。
它是由一系列周期性折射率不同的光纤组成的，这些光纤就像一根根细细的琴弦，当光线通过它们时，会发生折射现象。
而这种折射现象正是FBG传感器测量温度和应变的关键所在。
FBG传感器是如何测量温度的呢？其实，这就要靠那些神奇的光纤了。
当阳光或者光源照射到光纤上时，光纤中的原子会吸收一部分光线，使得光线在光纤内部发生反射。
而反射回来的光线经过多次反射后，最终到达了FBG传感器的检测器。
检测器会根据反射光线的强度和时间变化来计算出光纤的温度。
是不是很厉害啊！我们再来聊聊FBG传感器是如何测量应变的。
其实，这也是利用了光纤的折射现象。
当FBG传感器受到外力作用时，光纤会发生形变，从而导致折射光线的变化。
而这种变化又被检测器捕捉到，从而计算出了应变的大小。
是不是感觉FBG传感器就像一个神奇的变形金刚一样，可以感知到周围的变化呢！FBG传感器有哪些应用呢？其实，它的应用范围非常广泛。
在建筑行业中，它可以用来检测混凝土的结构变化；在医疗行业中，它可以用来监测人体的生理指标；在汽车制造行业中，它可以用来检测车身的变形情况。
只要有需要测量温度和应变的地方，FBG传感器都可以派上用场哦！当然啦，虽然FBG传感器非常神奇，但它也有一些局限性。
比如说，它的灵敏度有限，不能用来检测非常微小的应变；而且，它的精度也有一定的误差。
随着科技的发展，相信这些问题都会得到解决的。
今天关于光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理就给大家介绍到这里了。
希望对大家有所帮助哦！下次再见啦！。
《2024年光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用》范文
《光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用》篇一一、引言随着科技的不断发展，光纤光栅传感技术因其独特的优势，在众多领域中发挥着重要作用。
尤其在结构健康监测方面，光纤光栅传感技术的应用已经成为研究的重要方向。
本文将深入探讨光纤光栅传感技术的原理及其在结构健康监测中的具体应用。
二、光纤光栅传感技术概述光纤光栅传感技术是利用光纤光栅（FBG）对光信号进行调制和传输的技术。
光纤光栅是利用特殊的光纤工艺在光纤内部制作出的特殊光学滤波器，能够有效地实现对外界环境如温度、应力等物理量的精确感知和实时监测。
三、光纤光栅传感技术的原理光纤光栅传感技术主要基于光纤的布拉格效应（Bragg Effect）。
当光波在光纤光栅中传播时，由于布拉格效应的干涉作用，会形成特定波长的反射光谱，其波长会随外界环境的物理量变化而变化，通过测量这一变化可以获取环境物理量的信息。
四、结构健康监测的必要性结构健康监测是对建筑、桥梁、隧道等基础设施在运营过程中的安全性、稳定性及损伤状况进行实时监测。
这些设施的健康状况直接关系到人们的生命财产安全，因此对其进行有效的健康监测至关重要。
五、光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用1. 分布式监测：光纤光栅传感技术可以实现对结构的分布式监测，通过在结构内部布设大量传感器，实现对结构的全方位监测。
2. 高灵敏度：由于光纤光栅传感技术的高灵敏度，可以实时监测结构在微小应力、温度变化下的响应情况。
3. 长期稳定：相较于其他传感器，光纤光栅传感器具有长期稳定的特性，能够在恶劣环境中持续工作。
4. 抗干扰能力强：光纤光栅传感器不受电磁干扰，能够有效地在复杂环境中进行工作。
六、具体应用案例分析（此处可以举几个具体的例子来展示光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用，比如可以列举某个大型桥梁的健康监测案例，说明如何通过该技术实现对该桥梁的长期实时监测）七、总结与展望光纤光栅传感技术在结构健康监测中发挥了重要作用。
其独特的分布式监测、高灵敏度、长期稳定及抗干扰能力强等特点使其成为一种理想的结构健康监测技术。
FBG温度传感器
FBG温度传感器引言：随着科技的不断发展，温度传感器的应用范围越来越广泛。
传统的温度传感器基于热电效应、电阻变化等原理进行测量，但这些传感器存在灵敏度低、响应时间长、易受干扰等问题。
FBG（Fiber Bragg Grating）技术作为一种新型的传感器技术，具有优良的温度测量性能，被广泛应用于工业生产、交通运输、医疗健康等领域。
FBG温度传感器是基于光纤光栅的原理来实现温度测量的。
光纤光栅是一种通过在光纤内加入一定周期的折射率变化来产生反射光的结构，它对光波的波长具有高度选择性。
当光波波长与光栅周期相匹配时，光波会被光栅反射回来。
而当温度发生变化时，光栅的周期也会发生变化，进而改变反射光的波长。
通过测量反射光的波长变化，即可得到温度的变化。
1.光纤光栅的制备：选择合适的光纤材料和掺杂剂，以及适当的光栅周期，进行光纤光栅的制备。
一种常用的方法是利用紫外脉冲激光通过两光束干涉形成周期性的折射率分布，从而实现光纤光栅的制备。
制备完成后，将光纤固定在测量物体上，使其与要测温度的物体接触。
光纤光栅的长度和固定方式需要根据具体应用来确定。
2.光谱分析系统的搭建：制备好的光纤光栅需要连接到光谱分析系统中进行波长变化的测量。
光谱分析系统通常由光源、光栅衍射器、光电探测器等组成。
光源发出的光经过光栅衍射，产生不同波长的光束，然后经过光纤光栅反射回来，最终被光电探测器接收。
光电探测器会将接收到的光信号转化为电信号，并通过数据处理单元进行分析和记录。
根据反射光的波长变化，可以得到相应的温度变化。
3.温度测量精度的提升：为了提高温度测量的精度，可以采取一些措施，如增加光栅的反射次数、提高光栅的稳定性等。
同时，还可以在光谱分析系统上添加温度补偿装置，用于对温度的影响进行补偿，以提高温度测量的准确性。
结论：FBG温度传感器基于光纤光栅的原理，具有灵敏度高、响应时间快、抗干扰性强等优点。
通过合理的光纤光栅制备和光谱分析系统的搭建，可以实现简单而高效的温度测量。
光纤Bragg 光栅地震检波器是利用光栅的波长调制原理
光纤Bragg 光栅地震检波器是利用光栅的波长调制原理,即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距,再转化为对应的波长变化量,通过检测波长的变化来测量加速度的大小. 由图(2) 可以看出,该检波器的结构是将光纤布拉格光栅固定在弹簧片上构成的. 当地面振动时,固定于地面的检波器随之运动,检波器中的光栅与检波器外壳产生相对运动,在光电接收器件的接收面上产生运动的莫尔条纹,经处理后,以数字信号形式输出[9～13 ] .研究表明,光纤Bragg 光栅以其特有的特性(高灵敏度和大动态范围,较强的抗干扰能力和具有一定的智能作用,与大地耦合作用好,谐波失真小等) 比压电检波器(此种检波器是根据某些物质的压电效应制成的. 当沿一定方向对某些电介质施力而使其变形时,介质内部就产生极化现象.压电检波器正是利用这种压电效应,将地震波引起的压电效应转变为电信号的一种机电转换装置. ) 不仅具有高的灵敏度系数,并且动态范围也足以实现地震勘探领域的不同频率段的需求,在地质石油勘探领域具有广阔的应用前景. [17～29 ]5 结论地震检波器是地震勘探中的重要环节,地震采集数据的品质基本上取决于检波器本身的品质,埋置环境与记录数据系统的性能. 目前,数据采集的动态范围已经达到了120 dB ,所以检波器本身的动态范围越来越成为地球物理勘探技术中的首要技术要求[30～40 ] .光纤布拉格光栅以其高分辨力,高信噪比,高精确度,高可靠性,为振动的测量提供了理想的技术手段. 利用光纤布拉格光栅作为检波器的敏感元件,可具有动态范围宽,抗电磁干扰,信号频带宽等特点,易于满足高精度,高分辨率的地震勘探要求. 光纤Bragg 光栅地震检波器在地震石油勘探领域,桥梁结构健康检测领域和海洋开发领域等具有广泛的应用价值,是值得研究并推广的一项新技术.[ 1 ] 陶果,多雪峰. 我国地球物理测井技术的发展与战略初探[J ] .地球物理学进,2001 ,16 (3) :98～101.[ 2 ] 阮驰,崔崧,高应俊. 光纤Bragg 光栅与石油仪器[ J ] . 石油仪器,2001 ,15 (6) :1～4.[ 3 ] 陆文凯,丁文龙,张善文,肖焕钦,赵铭海. 基于信号子空间分解的三维地震资料高分辨率处理方法[J ] . 地球物理学报,2005 ,48 (4) :896～901.[ 4 ] 陈祖传. 地球物理勘探技术的进展[ J ] . 地球物物理学进展,2000 ,10 (3) :1～19.[5 ] 张向林,郭果,刘新茹. 油气地球物理勘探技术进展[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (1) :143～151.[ 6 ] Kersey A D. Fiber grating sensors [ J ] . Lightwave Technol ,1997 ,15 (8) :1442～1463.[ 7 ] Hill K O , Meltz G. Fiber Bragg Grating Technology Funda2mentals andOverviews[J ] . Journal of Lighwave Tet hnology ,1997 ,15 :1263～1274.[ 8 ] 苑立波. 光纤光栅原理和应用[J ] . 光通信技术,1998 ,22 (1) :70～72.[9 ] 梁磊,周雪芳. 新型光纤Bragg 光栅地震检波器的研究[J ] . 承德石油高等专科学校学报,2003 ,5 (1) :4～7.[ 10 ] 高华,李淑清,南忠良,陶知非,蒋诚志. 光栅地震检波器的研究[J ] . 航空精密制造技术,2003 ,39 (1) :40～42.[ 11 ] 王红落,常旭,陈传仁. 基于波动方程有限差分算法的接收函数正演与偏移[J ] . 地球物理学报,2005 ,48 (2) :415～422.[ 12 ] 袁子龙,韦丹宁,李婷婷. 高分辨率地震勘探智能程控型前置放大器的设计[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (1) :300～303.[ 13 ] 姚陈. 地震三维矢量反射波场[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21(2) :430～439 . [ 14 ] 于常青,祁晓明,朴永红,于文芹. 联合高分辨率地震和精细测井资料的剩余油气分析[ J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (2) :张向林,陶果. 油气井生产测井中的光纤传感技术[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20(3) :796～800.[16 ] 周振安,刘爱英. 光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (3) :864～866.[ 17 ] 陈海峰,肖立志,张元中,付建伟,赵小亮. 光纤Bragg 光栅在油气工业中的若干应用及进展[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21(2) :572～577.[ 18 ] 陈相府,安西峰,王高伟. 浅层高分辨地震勘探在采空区勘测中的应用[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (2) :437～439.[ 19 ] 徐朝繁,张先康,刘宝金,等. 高分辨折射地震资料处理方法及其应用[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (4) :1052～1058.[ 20 ] 张军华,吕宁,田连玉,陆文志,钟磊. 地震资料去噪方法、技术综合评述[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (4) :1083～1091.[ 21 ] 崔若飞,武旭仁,陈同俊. 煤矿地震数据管理系统的开发[J ] .地球物理学进,2005 ,20 (2) :374～376.[22 ] 周灿灿,王昌学. 水平井测井解释技术综述[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 1) :152～160.[ 23 ] 石建新,王延光,毕丽飞,等. 多分量地震资料处理解释技术研究[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :505～511.[ 24 ] 于景邨,刘志新,岳建华,刘树才. 煤矿深部开采中的地球物理技术现状及展望[ J ] .地球物理学进展,2007 ,22 ( 2) : 586 ～591.[ 25 ] 彭富清,霍立业. 海洋地球物理导航[ J ] . 地球物理学进[ 26 ] 孟庆生,楚贤峰,郭秀军,樊玉清,贾永刚. 高分辨率数据处理技术在近海工程地震勘探中的应用[ J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (3) :1006～1010.[27 ] 杨文采,于常青. 深层油气地球物理勘探基础研究[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1238～1242.[ 28 ] 金翔龙. 海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展[J ] .地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1243～1249.[29 ] 张向林,刘新茹,李健,卢涛. 我国油气开发监测技术进展[J ] .地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1360～1363.[ 30 ] 李淑清,陶知非. 未来地震检波器理论分析[ J ] . 物探装备,2003 ,13 (3) :152～156.[ 31 ] 刘光林,刘泰生,高中录,李刚,姚光凯. 地震检波器的发展方向[J ] . 勘探地球物理进展,2003 ,26 (3) :178～185.[ 32 ] 柏冠军,吴汉宁,赵希刚,王靖华. 地震资料预测薄层厚度方法研究与应用[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :554～558.[33 ] 张进铎. 地震解释技术现状及发展趋势[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :578～587.[34 ] 原宏壮,陆大卫,张辛耘,孙建孟. 测井技术新进展综述[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (3) :786～795.[ 35 ] 冷元宝,朱萍玉,周杨,王送来. 基于分布式光纤传感的堤坝安全监测技术及展望[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (3) :1001～1005.[ 36 ] 陈会忠. 地震信息系统发展综述[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1142～1146. [ 37 ] 池顺良. 深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学———地震预测观测技术的发展方向,实现地震预报的希望[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1164～1170.[38 ] 陆其鹄,彭克中,易碧金. 我国地球物理仪器的发展[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1332～1337.[ 39 ] 赖晓玲,刁桂苓,孙译. 用近场余震观测资料研究张北地震的发震构造[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (1) :63～67.[ 40 ] 张福明,查明,邵才瑞,印兴耀. 天然气的测井勘探与评价技术[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (1) :179～185.。
光纤布拉格光栅传感器
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器是一种近年来发展起 来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布 的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。 反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。
2020/2/13
n eff
1 2
n
3 eff
(1
/
nHale Waihona Puke 2 eff)x, y
1 2
n
3 eff
[ P12
( P11
P12 )] z
定义有效弹光系数
(8.3-9)
Pe
1 2
n
2 eff
[ P12
( P11
P12
)] z
综 合 式 (8.3-7)、 (8.3-9)、 (8.3-10)代 入 (8.3-2)， 可 得 应 变 的 灵 敏 度
分辨率低
2020/2/13
9
8.3.3 封装增敏和复用技术
由于裸的光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的工程环境中容易损伤，只 有对其进行保护性的封装（如埋入衬底材料中），才能赋于光纤光栅更稳 定的性能，延长其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结构 ，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和温度的增敏等功能， 这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。
K
B z
/ B
1
Pe
若沿光纤轴向施加拉力 F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为
z F /E S
式
中
E
《2024年光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用》范文
《光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用》篇一一、引言在结构健康监测领域，随着科学技术的进步和现代信息技术的崛起，光纤光栅传感技术已成为重要的研究焦点。
作为一种高性能、非接触式的新型传感器技术，光纤光栅传感技术以其高灵敏度、抗干扰能力强、测量精度高等特点，在结构健康监测中发挥着越来越重要的作用。
本文将详细探讨光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用。
二、光纤光栅传感技术概述光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种基于光纤技术的传感器件，通过在光纤内制造出周期性的折射率变化来形成光栅结构。
这种结构使得光纤光栅能够在特定的波长下反射光，从而实现测量、传感等功能。
其核心原理是利用光栅对不同波长的光产生不同的反射特性，通过测量反射光的波长变化来获取相应的物理信息。
三、光纤光栅传感技术在结构健康监测的应用1. 桥梁结构监测在桥梁结构健康监测中，光纤光栅传感技术可以用于监测桥梁的应力、应变、温度等参数。
通过在桥梁的关键部位安装光纤光栅传感器，可以实时监测桥梁的受力状态和变形情况，及时发现潜在的安全隐患。
此外，光纤光栅传感器还可以用于监测桥梁的振动和风致响应等动态特性，为桥梁的安全运营提供有力保障。
2. 建筑结构监测在建筑结构健康监测中，光纤光栅传感技术同样发挥着重要作用。
通过在建筑物的关键部位安装光纤光栅传感器，可以实时监测建筑物的应力、应变、位移等参数，及时发现建筑结构的损伤和变形情况。
此外，光纤光栅传感器还可以用于监测建筑物的温度变化和裂缝扩展等动态特性，为建筑物的安全运营提供有力支持。
3. 隧道及地下工程监测在隧道及地下工程中，由于环境复杂且难以直接观察其内部状态，因此需要采用先进的监测技术来确保工程安全。
光纤光栅传感技术可以用于监测隧道及地下工程的应力、变形、渗水等参数，实时掌握工程结构的健康状态，及时发现潜在的安全隐患并采取相应的措施。
四、光纤光栅传感技术的优势首先，光纤光栅传感技术具有高灵敏度和高精度，能够准确测量微小的物理量变化；其次，其抗干扰能力强，能够在复杂的环境中稳定工作；此外，光纤光栅传感技术还具有非接触式测量的特点，不会对被测物体产生额外的应力或损伤；最后，其分布式传感能力使得可以同时测量多个点的物理量变化。
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势FBG（Fiber Bragg Grating）布拉格光纤光栅传感技术是一种基于光纤传感器原理的测量技术。
它通过在光纤的光学纤芯中添加一个周期性折射率改变的光栅结构，实现了对光波的波长选择性反射，从而实现对光波的测量和传感。
FBG光栅传感技术具有很多优势，本文将详细介绍。
首先，FBG光栅传感技术具有很高的灵敏度和精度。
光纤光栅结构的周期性折射率改变能够引起光波的波长选择性反射，从而使得传感器能够在不同的波长上进行测量。
由于光栅的周期性结构可以通过微调光栅的制备参数进行优化，因此光栅传感器可以在特定的波长上实现极高的灵敏度和精度。
其次，FBG光栅传感技术具有很高的可重复性和稳定性。
光纤材料具有优良的化学稳定性和热稳定性，使得光纤光栅传感器在长期使用中能够保持良好的性能。
此外，由于光栅结构是在光纤材料中编写的，因此它不会受到外界环境的干扰，如机械振动、电磁干扰等，从而进一步保证了传感器的可靠性和稳定性。
第三，FBG光栅传感技术具有很高的兼容性和可扩展性。
光纤光栅结构可以与光纤的各种特性相结合，如单模光纤、多模光纤、光纤喇叭片等，从而可以实现对不同物理量的测量，如温度、应力、压力、湿度等。
同时，由于光栅结构是分布式传感器，因此可以在一根光纤上实现多个光栅结构，从而实现多参数的测量，具有很高的可扩展性。
第四，FBG光栅传感技术具有很高的抗干扰能力和远程监测能力。
光栅传感器的工作原理是通过测量被反射回来的光强来获取待测物理量信息，这种工作方式使得光栅传感器能够抵抗外界的光强波动和光纤传输损耗等因素的影响。
此外，光栅传感器可以与光纤网络相结合，实现远程监测和网络传输，从而实现对远程目标的实时监测和控制。
最后，FBG光栅传感技术具有很高的经济性和应用潜力。
光纤光栅传感器的制备工艺相对简单和成熟，制备成本相对较低，从而降低了传感器的成本。
此外，光栅传感器的应用领域非常广泛，包括航空航天、电力、交通、石油化工等行业，具有很大的市场潜力。
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第25卷 第5期
2003年5月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.25 No.5 M ay 2003文章编号:1671 4431(2003)05 0007 03
新型光纤Bragg 光栅振动传感技术
*
梁 磊 周雪芳 信思金 赵 申 陈大雄
(武汉理工大学) 摘 要: 介绍了振动测试技术的发展现状,针对存在的问题,结合光纤Bragg 光栅传感系统的优点,提出了一种新型的光纤Bragg 光栅振动传感系统,并进行了相关的实验研究。
关键词: 光纤; Br ag g 光栅; 振动传感器
中图分类号: T P 212.14文献标识码: A
收稿日期:2003 01 25.
作者简介:梁 磊(1963 ),男,副教授;武汉,武汉理工大学光纤传感技术研究中心(430070).
*国家博士点基金资助项目(20010497003).大型结构的振动,是伴随着外作用输入(车辆动载荷、风力、地震波)和摩擦损耗(材料内摩擦和连接以及支撑的摩擦),结构体系的变形能量和运动能量相互转换的周期性过程。
其特点通常是:固有频率低、振动模态密集、阻尼比小、且需要实时的在线监测[1]。
在石油地震勘探领域,用人工激励的方法给地壳施加振动,通过振动传感器监测到的信号来确定地下的主要成分,然而随着石油勘探领域的进一步发展,勘探的深度越来越深,而且外部环境的恶化,使得现有的地震检波器不仅灵敏度和响应频带达不到要求,而且容易受到电磁的干扰,给石油地质勘探领域带来了前所未有的障碍。
因此,提高振动传感器的性能指标是改善振动测试系统性能的关键所在[2]。
目前的振动测试主要是以传统的机械振动测试为基础,采用电磁类传感器组成的振动测试系统进行工作,存在着灵敏度低,频带范围窄,抗干扰能力差,不能满足现在大型结构监测的要求
[3]。
与传统的电类振动传感器相比较,光纤Bragg 光栅振动传感器具有动态范围宽、灵敏度系数大、抗干扰,能实现长期实时在线
测量的优点,其应用前景广泛。
1 光纤Bragg 光栅振动传感器
1.1 光纤Bragg 光栅传感原理[4]
光纤Bragg 光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射布喇格波长光谱的检测,实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量,其传感原理如图1所示[5]。
而光纤Bragg 光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期 和反向耦合模的有效折射率n eff ,任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布喇格波长的漂移即有[6]
B =2n eff
(1)
1.2 光纤Bragg 光栅振动传感器工作原理
光纤Bragg 光栅振动传感器是利用光栅的波长调制原理,即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距,再转化为对应的波长变化量,通过检测波长的变化来测量加速度的大小。
本系统组成主要包括光纤Bragg 光栅、振子M 、光纤解调仪、封装套以及二次仪表等,其力学模型可简化为一个单自由度质量 弹簧系统如图2。
当振子作加速度运动时,质量块m 将受到与运动方向相反的惯性力f =ma 的作用,此时光纤Bragg 光栅受力发生变化,从而光纤Bragg 光栅的长度发生变化,即光栅的周期 发生变化,依据牛顿第二定律以及
光纤Bragg 光栅传感原理可推导出如下光纤Bragg 光栅的固定端与质量块之间的光栅的周期变化量 与相应的加速度变化关系为
B =2n eff
(2) /a =0.78m B /(2nEA )(3)
式中,E 为光纤的杨氏模量; B 为光纤Bragg 光栅波长的改变量; B 为光纤Bragg 光栅反射波长;A 为光纤的横截面积。
即 B 与m 和振动加速度的乘积成正比,根据不同领域应用的要求,可通过改变质量块m 的大小来改变传感器的固有频率的大小和对应的工作频段。
另一方面,光纤Bragg 光栅传感头接受外界变化的能力,感受被测物体的振动信息,经传输光纤从测量环境传回到光纤Brag g 光栅动态解调仪里,经过解调仪探测光纤Bragg 光栅反射波长的改变量并将光信号转换成电信号,传输到二次仪表测出振动信号的幅值和频率的大小,从而就真实的反映出被测量的情况。
从应用上来说,光纤Bragg 光栅传感器用于振动测量有几个显著的优点,其中包括:1)更好地抵抗电磁干扰,包括雷电,以及用于恶劣环境的潜在能力,如核电厂;2)小得多的尺寸(典型直径为125!m);3)抗腐蚀能力强(化学物质、温度、湿度等);4)能沿着单根光纤用大量的传感器进行测量,不象电类传感器那样需要大
量的导线。
图1 光纤布喇格光栅传感原理
图2 光纤Bragg 光栅振动传感器力学模型
1.3 光纤Bragg 光栅振动传感器的频率特性
如图2所示,当外壳振动量为x 1时候,光纤Bragg 光栅长度变化量为x 2,忽略系统的阻尼,根据牛顿第二运动定律推导出光纤Bragg 光栅振动传感器系统的微分方程式,对其取傅立叶变换后得到系统的频率响应H (∀)=1/ 1-(∀2mL /EA )!
(4)式中∀是光纤Bragg 光栅的角频率,L 是光纤Bragg 光栅的有效长度。
根据实际情况的需要,可以选取不同的参数进行实验,在此选取m 和L 的大小分别为5g 和12cm,根
据固有频率的计算公式可得,其固有频率为620Hz 。
下面对式(4)进行Matlab 仿真得到光纤Brag g 光栅振动传感器幅频特性响应曲线,如图3所示。
从图中可以看出,
其固有频率与计算值基本上保持一致。
图3 光纤Brag g 光栅振动传感器幅频响应曲线
图4 光纤Bragg 光栅振动传感器对比实物
2 实验结果和分析本实验主要是对上述光纤Bragg 光栅振动传感器的传感特性加以验证,其实验装置原理图如图4所示,8 武 汉 理 工 大 学 学 报 2003年5月
标准传感器的工作频段为1~1000Hz,光纤Bragg 光栅传感器的工作频段为1~620Hz,但是实验受到振动信号发生装置的限制,只能选取5~700Hz 的信号。
实验结果如图5所示,图5中依次选取了f =5Hz,f =10H z,f =100H z,f =600Hz 时的波形。
从图5中可以看出,光纤Brag g 光栅振动传感器测试到的信号与标准传感器所测试到的信号在周期基本上保持一致(标准振动传感器的信号在上面,光纤Bragg 光栅振动传感器的信号在下面)。
但是从幅值上可以看出,当f =5Hz 与f =600H z 时的光纤Bragg 光栅的信号比标准传感器的信号大,这也就说明光纤Bragg
光栅振动传感器在这一频率段的灵敏度系数是大于标准传感器的。
图5 光纤光栅振动传感器与标准传感器实验波形图
3 结 论
光纤Bragg 光栅振动传感器是一种新型的振动测试传感器,它不仅克服了传统电类传感器的不足,具有强烈的抗电磁干扰、抗腐蚀、稳定性好、体积小、安装携带方便等优点外,更明显的就是它的测量精度比传统的电类传感器高出一个数量级,动态范围宽,是一种较理想的振动传感器,在土木工程的结构健康监测领域、石油勘探、水声测量等军事领域中将具有广泛的应用前景。
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A New Type of Fiber Bragg Grating Sensing Vibration Technology
L iang Lei Zhou X uef ang Xin Sij in Zhao Shen Chen Dax iong
Abstract: Vibration sensing technology is one of the important means to analyze mechanics dynamics.In this paper,it describes t he developing conditions of the v ibration testing technolo gy,aims at the ex isting problems,and then based on the advantages of the fiber Br ag g grating sensing system,a new type of fiber Bragg grating sensing vibration system is put forw ard and g ive the relative ex per iment.
Key words: fiber; Bragg gr ating ; vibration sensor
Liang Lei: Asso c.Prof.,Fiber Optical Sensing T echnology Research Center,WU T ,Wuhan 430070,China.9第25卷 第5期 梁 磊等:新型光纤Bragg 光栅振动传感技术。