基于进口膜片的光纤光栅压力传感器的研究

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光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势

第39卷第1期 2017年2月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol. 39，No. 1February,2017文章编号：1005-5630(2017)01-0088-07光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势林剑涛，曹晓峰，祝睿雪，周俐娜，程永进(中国地质大学(武汉）数学与物理学院，湖北武汉430074)摘要：由于在灵敏度、绝缘性、抗腐蚀和分布式测量等方面具有优势，光纤光栅压力传感器在能源化工、航空航天和土木工程等领域中逐渐地受到人们关注，并成为研究热点。

通过综述近年来迅速发展的光纤光栅压力传感器的研究进展，介绍了利用光纤布拉格光栅(FBG)轴向应变构建压力传感器的工作原理、结构和特点，并按照光纤光栅安装方式对此类压力传感器进行了分类，同时概述了光纤光栅横向压力传感的实验研究，并对光纤光栅压力传感器的发展趋势进行了述评。

关键词：光纤光栅；压力；横向压力；传感器中图分类号：TN 253 文献标志码：A doi:10. 3969/j. issn. 1005-5630. 2017. 01. 015Research progresses and developing trends of opticalfiber grating pressure sensorLIN Jiantao, CAO Xiaofeng, ZHU Ruixue, ZHOU Lina, CHENG Yongjin(School of M athem atics and Physics, China U n ive rsity of Geosciences, W uhan 430074, China) Abstract：Due to its advantages in sensitivity, insulativity，resistance to corrosion and distributed measurement, fiber Bragg grating (FBG) -based pressure sensor has gradually been attracted interests and becomes a research hotspotin the fields such as petrochemical，aerospace and civil engineering. This paper reviews the research progresses of optical fiber grating pressure sensor, which rapidly develops in recent years. Firstly it introduces how the pressure sensors are built by using the axial strain of fiber Bragg grating and their principle?structure and characteristics. This kind of pressure sensors are classified according to the installation methods of fiber gratings. Secondly the experimental study on fiber grating transverse pressure sensing is summarized. Finally the developing trend of fiber grating pressure sensor is commented.Keywords：optical fiber grating；pressure; transverse pressure; sensor引言光纤光栅是一种非常重要的光纤无源器件，它具有径细质轻、电绝缘性好、抗腐蚀和抗电磁干扰性强等优点，易实现分布式监测，适合在复杂恶劣的环境下工作，通过对传感器结构设计和封装工艺选择可实收稿日期：2016-06-04基金项目：国家自然科学基金(41230637、11504338、41472265)作者简介：林剑涛(1993 )，男，硕士研究生，主要从事光电检测与控制技术方面的研究。

光纤光栅传感器的研究与应用

光纤光栅传感器的研究与应用0 引言近年来。

随着光纤通信技术向着超高速、大容量通信系统的方向发展，以及逐步向全光网络的演进．在光通信迅猛发展的带动下，光纤光栅光纤光栅已成为发展最为迅速的光纤无光源器件之一。

光纤在紫外光强激光照射下，利用光纤纤芯的光敏感特性．光纤的折射率折射率将随光强的空间分布发生相应的变化。

这样，在光纤轴向上就会形成周期性的折射率波动，即为光纤光栅。

由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用。

为此。

本文从光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅等光纤光栅的原理出发，综述了光纤布拉格光栅对温度、应变同时测量技术的应用。

1 光纤传感器传感器的工作原理1．1 光纤光栅传感器的结构光纤布拉格光栅FBG于1978年发明问世。

它利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。

图l所示是其光纤光栅传感器的典型结构。

在图1所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。

一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50～100 μW。

而当被测温度或压力加在光纤光栅上时。

由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储存，并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。

光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外．还具有在一根光纤内集成多个传感器复用的特点，并可实现多点测量功能。

1．2 光纤布拉格光栅原理光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，A为光栅周期。

当作用于光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发生变化时，会引起n和A的相应改变，从而导致λB的漂移；反过来，通过检测λB的漂移。

光纤光栅压力传感器的理论建模及实验研究

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" > A* $ 根据光纤布拉格光栅耦合模理论 ) 光纤布拉格
光栅中心波长 # 与其周期以及光纤纤芯有效
) @* 折射率$ 如下 & 3 / /之间的关系
智能化要求的提高$ 前者因为着工业生产自动化 ( 后者虽然能其缺乏智能化功能已逐步退出市场 # 满足现今工业的使用需要 $ 但是强电磁场环境会同时$ 采集到的数据因对其功能产生严重的影响 $ 为受到传输距离 ( 传输速度以及传输容量的制约往往在系统集成方面也有一定的局限性 % 为了克服这些复杂环境的干扰和满足长距离数据传输 ( 控制要求 $ 智能压力传感器应用而生% 光纤光栅其调谐波长对应作为一种新型的无源传感元件 $ 力应变和温度的变化关系以及可接入光纤系统的优势 $ 为压力传感注入了新的发展思路 % 近年来 $ 采用光纤光栅制作的传感器因为抗电磁干扰 ( 抗腐蚀 ( 电绝缘 ( 高灵敏度的优点$ 已经在工程建设但主要是通过前期预埋的手段中得到广泛应用 $ 对大型结构件应力 ( 应变状况进行实时监测以及桥梁( 楼宇进行健康监测% 由对土木工程中大坝 ( 于光纤光栅有细 ( 脆( 敏感的特点$ 要使其能很好必须要地在流体压力测试方面发挥良好的性能 $ 有一种合适的结构 $ 该结构要能很好的将流体压力转换成符合光纤光栅敏感的物理量 $ 才能发挥波长调谐方法 $ 解决光纤光栅在工业生产过程中气体 ( 液体压力测试方面的应用问题 % 本文使用光纤布拉格光栅作为敏感元件 $ 通过设计一种圆形膜片的压力传递结构 $ 将流体压力转化光纤布拉格光栅轴向微伸缩变形 $ 通过光纤布拉格光栅调谐压力 $ 的数学关系 $ 设计一种压力变化 $: 光纤 $ % IJ 光栅中心波长偏移量在 A1 即 D?1 D范围之内 $ 就是设计的光纤光栅压力传感器灵敏度要介于 ' ' 以实现对流体 $: A, D IJ ?, D IJ -之间$ $: 压力在 $% IJ 范围的测量 % -

光纤光栅压力传感实验(Word)

光纤光栅压力传感实验摘要光纤布拉格光栅(FBG)是国际上新兴的一种在光纤通讯、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。

当前FBG的制作与应用研究成为世界各国光纤技术研究的热点和重点。

光纤布拉格光栅传感器是利用Bragg 波长对温度、应变的敏感特性制成的一种新型光纤传感器，它具有抗电磁干扰、精度高、长期稳定性好、能多点分布检测等优点，在大型复合材料和混凝土的结构监测、智能材料的性能监测、电力工业、医药和化工等领域有着广阔的应用前景。

对压力的测量是光纤光栅传感器的重要应用之一。

研究表明，光纤光栅传感特性稳定，是理想的压力传感元件。

经实验证明该光纤光栅压力传感器具有良好的灵敏性、线性和重复性，且有比较快的响应速度。

本文对光纤光栅压力传感技术进行了研究。

关键词光纤布拉格光栅；压力；传感器Optical fiber Bragg grating sensor experimentpressureAbstractThe Fiber Bragg Grating(FBG) is a new fiber-optical device, and is widespread used in fiber-optic communications ,fiber sensing, and so on. At present, the fabrication and application of FBG is the focus and priority of fiber-optical technology studies in the world. Fiber Bragg Grating(FBG) sensor, which uses the property that the Bragg wavelength is sensitive to temperature and strain, is a new kind of fiber optic sensor. In addition to having the same functions as the traditional electric sensors, the FBG sensor also has some special characteristics such as distributed sensing, immune to electromagnetic interference, high precision and long-term stability. So it has widely applicable perspective in many fields such as the structure monitoring of large compound material and concrete, the performance monitoring of the intelligent materials, electrical power industry, medicine industry, chemical engineering etc. Stress measurement is an important kind application of FBG sensing. According to the researches, FBG has stable sensing properties, and it is an ideal kind of stress sensing element. It has been proved by the experiment that the responsibility、linearity and repeatability of the FBG stress sensor are good. Some work done in this paper.Keywords FBG；pressure；sensor目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................ I I第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 光纤传感器 (1)1.3 压力传感器 (6)1.4 光纤布拉格光栅压力传感器发展现状 (7)1.5 论文研究内容 (8)第2章光纤光栅的传感原理 (9)2.1 光纤光栅的结构 (9)2.2 光纤光栅的成栅方法 (10)2.2.1 横向干涉法 (10)2.2.2 相位掩膜成栅技术 (10)2.2.3 逐点写入法 (11)2.2.4 在线成栅法 (11)2.2.5 光纤刻槽拉伸法 (12)2.2.6 聚焦离子束写入光纤光栅 (12)2.3 光纤布拉格光栅的传感原理 (12)2.3.1 光纤光栅的温度特性 (13)2.3.2 光纤光栅的应力特性 (14)2.3.3 光纤光栅的压力特性 (15)2.4 本章小结 (16)第3章光纤光栅压力传感实验 (17)3.1 光纤光栅压力传感器的设计要求 (17)3.2 光纤光栅压力传感系统 (17)3.2.1 宽带光源 (17)3.2.2 光耦合器 (17)3.2.3 压力传感器 (18)3.2.4 解调仪 (18)3.3 压力传感器实验原理 (19)3.4 光纤光栅压力传感实验 (19)3.5 本章小结 (21)结论 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录A英文原文 (25)附录B中文译文 (28)第1章绪论1.1课题背景本课题的研究目标是设计一种适用于易燃、易爆和有毒环境下的高精度光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）压力传感系统，使其具备更强的实用能力。

光纤布拉格光栅压力传感器的研究

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光纤布拉格光栅压力传感器的研究
陈代英莫德举
（北京化工大学信息科学与技术学院，北京１０２００９）摘要：简要介绍了光纤布拉格光栅的传感原理，理论分析了弹性元件平膜片的受压变形规则，并将光纤布拉格光栅粘贴在自行设计的不锈钢平膜片上，构成了基于膜片的光纤布拉格光栅压力传感器，给出了光纤布拉格光栅的
图１膜片表面应变分布图
ＦｇＩＳｒｎｎｔｅｉｒｈａｍｓｒｃｉ．ｔｉｏｈｄＰｇｕａａａｆｅ
△ 、一）・・９ ‘ Ｒ（ｐ・ ‘ ＊煮（Ｚ一），一 ‘ ＊
可看到，布拉格波长偏移量 △。久与压力Ｐ成线性关系，９可称为ＦＧ压力传感器的理论模型。式（）Ｂ
Ｓｒ＝
ＩＦＧ原理与传感器结构设计Ｂ
１ＩＦＧ工作原理・Ｂ
ＦＧ是利用光纤纤芯材料的光敏性在紫外线Ｂ
下形成的折射率呈周期性变化的一段光纤。当一束光进入光纤光栅后，由于光纤纤芯折射率呈周期性变化，波长满足一定条件的光会产生干涉叠加反射，这一波长称为布拉格波长。ＦＧ的布拉格波长由Ｂ

光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势

光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势林剑涛;曹晓峰;祝睿雪;周俐娜;程永进【摘要】由于在灵敏度、绝缘性、抗腐蚀和分布式测量等方面具有优势,光纤光栅压力传感器在能源化工、航空航天和土木工程等领域中逐渐地受到人们关注,并成为研究热点.通过综述近年来迅速发展的光纤光栅压力传感器的研究进展,介绍了利用光纤布拉格光栅(FBG)轴向应变构建压力传感器的工作原理、结构和特点,并按照光纤光栅安装方式对此类压力传感器进行了分类,同时概述了光纤光栅横向压力传感的实验研究,并对光纤光栅压力传感器的发展趋势进行了述评.%Due to its advantages in sensitivity,insulativity,resistance to corrosion and distributed measurement,fiber Bragg grating (FBG)-based pressure sensor has gradually been attracted interests and becomes a research hotspotin the fields such as petrochemical,aerospace and civil engineering.This paper reviews the research progresses of optical fiber grating pressure sensor,which rapidly develops in recent years.Firstly it introduces how the pressure sensors are built by using the axial strain of fiber Bragg grating and their principle,structure and characteristics.This kind of pressure sensors are classified according to the installation methods of fiber gratings.Secondly the experimental study on fiber grating transverse pressure sensing is summarized.Finally the developing trend of fiber grating pressure sensor is commented.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2017(039)001【总页数】7页(P88-94)【关键词】光纤光栅;压力;横向压力;传感器【作者】林剑涛;曹晓峰;祝睿雪;周俐娜;程永进【作者单位】中国地质大学(武汉)数学与物理学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)数学与物理学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)数学与物理学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)数学与物理学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)数学与物理学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TN253光纤光栅是一种非常重要的光纤无源器件,它具有径细质轻、电绝缘性好、抗腐蚀和抗电磁干扰性强等优点,易实现分布式监测,适合在复杂恶劣的环境下工作,通过对传感器结构设计和封装工艺选择可实现对压力、温度、流量、加速度等物理量的测量,已广泛地应用于能源化工、航空航天、大型土木工程等领域。

大量程光纤光栅压力传感器研究报告大学设计方案参考

第一章绪论光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。

作为一种新型的光学器件，光纤光栅已经在诸多方面得到了不同的应用。

相信在不久的将来随着光纤光栅与其他技术的进一步结合，其可应用前景会更为广阔。

1.1光纤光栅的发展历史光纤技术自20 世纪60 年代末至今在不到30 年的时间里以惊人的速度发展成为信息技术领域中的支柱性高新技术。

然而, 随着现代社会对信息技术的更新更高的要求, 光纤通信、光纤传感技术正面临着新的挑战。

传统光学器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求。

因此光纤光栅应运而生。

光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接写在光纤中形成的光纤波导器件。

该技术最早出现于1978年，加拿大的K.O.Hill在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次发现了在掺锗光纤中的光致光栅现象，并制造出世界上第一条光纤光栅。

从此开创了光纤光栅发展的历史。

这种方法制作的Bragg光纤光栅反射滤波器的线宽可以很窄，反射率也较高，但只能制作反射波长和写入波相同的光纤反射器，通过加外力的方法使光栅的调谐范围较小，大大限制了他的应用。

此后由于制作工艺及应用的局限这项技术一直未得到进一步的发展，历经十年进展缓慢。

直到1989年，美国的Meltz等人利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入了光栅，研制成功Bragg光纤光栅滤波器。

Archambult等人也报道了用单个准分子激光器制作近100%反射率的Bragg光纤光栅滤波器的方法。

这标志着光纤光栅技术进入了快速发展的阶段。

此后随着写入方法的不断改善；光敏性的逐渐提高；各种特种光栅也相继问世；同时光纤光栅的应用前景也得到了广泛的关注。

特别是近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到人们的重视，取得了令人瞩目的成就。

随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化, 专家们预言, 从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。

光纤光栅应变传感器的研制及应用

光纤光栅应变传感器的研制及应用一、本文概述光纤光栅应变传感器，作为一种新型的光纤传感器技术，近年来在多个领域展现出了广阔的应用前景。

本文将全面探讨光纤光栅应变传感器的研制过程、技术原理、性能特点以及在多个领域的应用实践。

文章首先将对光纤光栅应变传感器的基本概念进行介绍，阐述其相较于传统应变传感器的优势与特点。

随后，将详细介绍光纤光栅应变传感器的研制过程，包括其设计思路、制作工艺、封装技术等关键环节。

文章还将对光纤光栅应变传感器的性能进行全面分析，包括其灵敏度、测量范围、稳定性等关键指标。

在应用实践部分，本文将重点介绍光纤光栅应变传感器在土木工程结构健康监测、航空航天器结构应变测量、以及智能材料与结构健康监测等领域的应用案例，展示其在实际工程中的应用效果与潜力。

通过本文的阐述，旨在为读者提供光纤光栅应变传感器研制及应用方面的全面、深入的理解，为其在相关领域的研究与应用提供有益的参考与借鉴。

二、光纤光栅应变传感器的基本原理光纤光栅应变传感器是一种基于光纤光栅效应的高精度测量设备。

其基本原理是，当一束特定波长的光波在光纤中传播时，由于光纤内部的光栅结构，光波会发生反射，形成特定的光栅光谱。

当光纤受到外部应变作用时，光栅结构会发生变化，进而引起光栅光谱的波长移动。

这种波长移动与应变成线性关系，通过精确测量波长移动量，就可以推算出光纤所受的应变大小。

光纤光栅应变传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，因此在工程结构健康监测、航空航天、桥梁隧道安全检测等领域有广泛的应用前景。

同时，随着光纤光栅制作技术和解调技术的不断发展，光纤光栅应变传感器的测量精度和稳定性也在不断提高，为各类复杂工程结构的安全监测提供了有力的技术支持。

三、光纤光栅应变传感器的设计与制造光纤光栅应变传感器的设计与制造是确保传感器性能稳定和精确的关键环节。

在设计阶段，我们需要充分考虑应变传感器的实际应用环境和需求，如温度、压力、湿度等环境因素，以及测量精度、响应速度、稳定性等性能要求。

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基于进口膜片的光纤光栅压力传感器的研究
郭明金，姜德生，宏才袁
（汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室，北武汉４０７）武湖３００
摘
要：析了光纤布喇格光栅（Ｂ的压力传感特性，出了ＦＧ的中心波长与压力的关系以及压力灵敏分ＦＧ）给Ｂ
维普资讯
第２卷第４８期
２０年８０６月
压
电
与
声
光
Ｖｏ．８Ｎｏ４１２．
Ａｕ２０ｇ．０６
ＰＩＥＺ０ＥＬＥＣＴＥＣＴＲＩ＆ＡＣＯＵＳＣＳＴＯＯＰＣＳＴＩ
文章编号：０４２７（０６０ —３００１０—４４２０）４０９— ３
ｊＥｌｃｒ．ｔ．ＴｈｘｅｉｎａｅｕｔｎｉａｅｈｔｔｅｓｎｉｉｉｙｃｅｆｉｎｆＦＢｐｅｓｒｅｓｒｎｔｅｅｔｉＣｏ１ｉｃｄｅｅｐｒｍｅｔｌｓｌｓｉｄｃｔｄｔａｈｅｓｔｖｔｏｆｉｅｔｏＧｒｓｕｅｓｎｏｓｏｈｒｃ
围内为１，而理论的压力灵敏度系数为０３５ｎ／ａ同时发现粘贴在该膜片上的ＦＧ压力传感器的中心波．８ｍＭＰ。Ｂ长与压力变化有着良好的线性关系和很高的相关系数并且迟滞现象较小，明基于该膜片的ＦＧ压力传感器非说Ｂ常适合于压力测量。关键词：纤布喇格光栅（Ｂ；力传感器；片；力灵敏度系数光ＦＧ）压膜压
中图分类号：Ｐ１Ｔ２２文献标识码：Ａ
ＳｕｅｎＦｉｅａｇＧｒｔｎｇＰｒｓｕｅＳｎｓｒｔｄｉｓｏｂｒＢｒｇａｉｅｓｒｅｏ
ＢａｅｎｔｅＩｐｏｔＤｉｐａｍｓｄｏｈｍｒａｈｒｇ
Ｆ２ＷＢｉｐｒｇｗａｂｕ．７ｎＭＰ，ｉａｕｅｎｒｃｓｏｓ．ＷｈｒａｈｈｏｅｉａＢＣ０２ｄａｈａｍｓａｏｔ０３６ｍ／ａｔｍｅｓｒｍｅｔｐｅｉｉｎｗａ１ｓｅｅｓｔｅｔｅｒｔｌｃｐｅｓｒｅｓｔｉｏｆｉｉｎｓ０３５ｎＭＰ．Ａｔｔｅｓｍｅｔｈｒｓａｖｒｏｄｌｅｒｙａｄｒｐｔｔｎｂ — ｒｓｕｅｓｎｉｉｔｃｅｆｅｔｉ．８ｍ／ｖｙｃａｈａｉｔｅｅｗａｅｙｇｏｉａｉｎｅｅｉｉｅｍｅｎｔｏ
度系数的表达式，将ＦＧ纵向粘贴在富士公司生产型号为ＦＣ２ＷＢ并ＢＢ０２的膜片上进行了压力实验。实验结果表
明粘贴在ＦＣ２ＷＢＢ０２型膜片上的ＦＧ压力传感器的灵敏度系数为０３６ｎＭＰ左右，Ｂ．７ｍ／ａ其测量精度在满量程范