基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用
光纤传感器在结构健康监测中的应用教程
光纤传感器在结构健康监测中的应用教程简介：结构健康监测是一种重要的工程技术，能够帮助我们实时监测和评估各类结构物的状况。
光纤传感器作为一种高精度、远程测量的技术，越来越多地被应用于结构健康监测中。
本文将介绍光纤传感器的原理、分类和在结构健康监测中的应用。
一、光纤传感器的原理和分类1. 光纤传感器的原理光纤传感器是一种利用光的特性进行测量的传感器。
它通过光纤的变化来检测和测量温度、应变、压力等物理量。
光纤传感器最常用的原理是光纤布里渊散射原理和光纤尘埃散射原理。
2. 光纤传感器的分类光纤传感器可以根据测量的物理量进行分类。
常见的光纤传感器包括温度传感器、应变传感器、压力传感器等。
其中，布里渊光纤传感器和光纤光栅传感器是结构健康监测中常用的类型。
二、光纤传感器在结构健康监测中的应用1. 布里渊光纤传感器的应用布里渊光纤传感器是一种利用光纤布里渊散射原理进行测量的传感器。
它能够实时监测结构物的温度、应变和拉伸等参数，提供结构健康的评估和预警。
布里渊光纤传感器在桥梁、隧道、建筑物等大型结构的监测中起着重要作用。
2. 光纤光栅传感器的应用光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅原理进行测量的传感器。
它能够监测结构物的振动、形变和扭转等参数。
光纤光栅传感器在风力发电机叶片、铁路轨道和航天器等领域的结构健康监测中被广泛采用。
三、光纤传感器在结构健康监测中的优势1. 高精度和灵敏度光纤传感器具有极高的精度和灵敏度，可以实时监测微小的结构变化。
与传统传感器相比，光纤传感器在结构健康监测中更加准确和可靠。
2. 远程测量和分布式监测光纤传感器通过光纤的传输，可以实现远程测量和分布式监测。
它克服了传统传感器布线复杂的问题，能够在较大范围内实现多点监测。
3. 抗干扰性能强光纤传感器在结构健康监测中具有良好的抗干扰性能。
它可以抵抗温度、应变和振动等外界干扰，保证了监测数据的准确性。
四、光纤传感器在结构健康监测中的案例1. 桥梁结构监测光纤传感器可以实时监测桥梁结构的应变和振动情况，及时发现潜在的问题。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。也可得知被测物理量的信息。 Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准 分布式测量上。温度和应力的变化所引起的λB漂移可表示 为：
2.2 双参量矩阵法 双参量矩阵法是运用各种方法将温度 和应力对同一光波的影响分别作用于该光 波的不同参量上，然后推导出对应关系， 以实现应力和温度的区分测量。近年来， 有许多方法基于这一思想的交叉敏感问题 解决方案。如混合FBG/长周期光栅法、二 次谐波法、超结构光栅法等。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
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。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
2.4 温度(应力)补偿法 其实，目前研究较多的还是温度补偿 法。该方法主要通过某种方法或装置先将 温度扰动引起的波长漂移剔除掉，从而使 应变测量不受温度的影响。近年来，国内 外许多学者提出了关于FBG交叉敏感的问 题，主要考虑实现对温度、应变同时测量 的温度补偿方法。它们分为单FBG法和双 FBG法两大类。
FBG传感器应用及设计实例
FBG传感器应用及设计实例FBG（Fiber Bragg Grating）传感器是一种基于光纤布拉格光栅原理设计的光纤传感器。
光纤布拉格光栅是通过在光纤内部引入一定的折射率改变周期性的折射率变化结构，形成的一种反射光栅。
FBG传感器利用光纤布拉格光栅的特性，可以对环境中的温度、应变等物理量进行测量。
FBG传感器具有体积小、抗干扰能力强、测量范围广等优点，因此被广泛应用于各个领域。
以下是几个FBG传感器的应用及设计实例：1.建筑结构监测：FBG传感器可以用来监测建筑结构的应变情况。
通过将多个FBG传感器布置在建筑结构上，可以实时监测结构的应变情况，及时发现结构的变形、开裂等问题，提前采取修复措施，保证建筑结构的安全性。
2.油气管道监测：FBG传感器可以用来监测油气管道的变形和温度变化。
将FBG传感器安装在油气管道上，可以实时监测管道的应变和温度变化，及时发现管道的变形、破损等问题，避免事故的发生。
3.地下水监测：FBG传感器可以用来监测地下水位的变化。
将FBG传感器固定在井口或地下水管道中，通过测量光纤的折射率变化来判断地下水位的变化情况。
这对于地下水资源的合理利用和保护具有重要意义。
4.航天器结构监测：FBG传感器可以用来监测航天器的结构应变情况。
将FBG传感器布置在航天器的关键结构上，可以实时监测结构的应变情况，判断航天器的工作状态是否正常，及时发现结构的变形和疲劳损伤，提高航天器的运行安全性。
5.生物医学应用：FBG传感器可以用于生物医学领域中的温度、压力和拉伸等参数的测量。
例如，可以将FBG传感器固定在医用器械上，实时测量医用器械的温度和应变情况，确保医疗操作的安全性。
以上是几个FBG传感器的应用及设计实例。
随着光纤技术的不断发展，FBG传感器将在更多的领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利和安全。
光纤光栅传感技术的原理与应用
ｉ 一
光纤的光弹张量系数 ；
ｖ 泊 松 比： 一 仅 光纤材料 （ 石英 ） 一 如 的热 膨 胀 系数 ； △Ｔ 温 度 变 化 量 。 一
上中孚 ） 典值 。。 式： — 】 型为２因 （ 因 卜暇 子 ． ２
图 １ 基 本 的光 纤 光栅 传 感原 理
此 ，可 以 推 导 出在 常 温 和 常应 力 条 件 下 的 Ｆ Ｇ应 力 Ｂ
的 传 统 光 纤 传 感 器所 没 有 的 特 点 ： 自定 标 和 易 于在 同一根 光 纤 内集 成 多个 传 感 器 复 用 ； 以及 光 纤 光 栅 在 高精 度 测 温 领 域 、 高分 辨 率 应 变测 量 领 域 、 高分 辨 率 液 位 测 量 领域 三 大 方 面 的应 用 。
这 一 部 分 分 量 将 消 失 ， 随 应力 与 温 度 的 漂 移 为 【： △ ２ ］
光 纤 光 栅 除 了具 备 光纤 传 感 器 的全 部 优 点 之 外 ，
还拥 有 自定 标和易 于在 同一根光纤 内集成 多 个传感
击 ６１ 鲁 ７０ ×
ｌ ℃的 温 度 和 应 力 测 量 精 度 。
（ ３ ）
（ ４ ）
式中 ， 八～ 光 栅 周 期 ；
ｌｍ 的 波 长 分 辨 率 大 致 对 应 于 １ ｍ 处 ０１ ｐ ． ３ ．℃或
ｎ 折射率 。 一 当宽 谱 光 源 入 射 到 光 纤 中 ，光 栅 将 反 射 其 中 以 ｂａｇ波 长 △ 为 中心 波 长 的 窄谱 分 量 。 透 射 谱 中 ， ｒｇ 在
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ａ ｉ ｒｎ ｉ ｌ ｆ ｏ ｔｃ ｌ ｆ ｅ ｉｆａ ｔ ｎ ｇ ａｉｇ：ｅ ｌ ａｉｎ ｔ ｈ ｘ ｍｉ ａｉｎ ｗｈｃ ｕ ｖ ｙ ｈ ｏ ｇ ｈ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｂ ｓｃ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｐ ｉａ ｂ ｒｄ ｆｒｃ ｉ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒａ ｉ ｔｏ ｏ ｔ ｅ ｅ ａ ｎ ｔ ｉｈ ｓ ｒｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｚ ｏ ｓ ｒ ｅ ｖ ｅ ｇｈ ｄ ｉ ｉ ｇ Ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃｏ ｐｉａ ｂｅ ｉ ｒｃ ｉｎ ｇ ａｉ ｇ：ａ ｙ ｉｔｇ ａｅ ｎ ｅ ｓ ｒ ｒｍ ｈ ｕ ｙ ｗａ ｅ ｌｎ ｔ ｒ ｔｎ ． ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｔ ｅｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｆｏ ｔｃ ｌｆ ｒｄｆ ａ ｔ ｒｔｎ ｅ ｓ ｎ ｅ ｒ ｔｓ ｍａ ｙ ｓ ｎ ｏ ｓｆｏ ｔ ｅ ｖ ｆ ｉ ｆ ｏ
几种常见光纤光栅传感器工作原理
常见光纤光栅传感器工作原理光纤光栅传感器的工作原理光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1）式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。
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，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。
通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。
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。
一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。
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△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。
这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。
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，LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。
Λ。
式中，n0为纤芯的折射率，niclad为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，LPG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△λi，就可获得外界物理量变化的信息。
光纤光栅传感器
光纤光栅监测报警系统结构示意图
使
用
FBG探头
连接光缆
现
场
光连接器
控 显示仪表 制 室 内
计算机
调制解调器
传输光缆
3 、光纤布喇格光栅解调原理
光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹 配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅检测信号的 基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与 解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检 测到的信号．
当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到 的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到 的光强是检测光纤光栅 FBG1和匹配光纤光栅 FBG2两个光谱函数的卷积。随着 FBG1上的微 扰，在 FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定 光强度的光信号。
F-P腔波长滤波解调原理
法布里—珀罗腔(F-P腔)的光学原理是多光束干
* 光纤光栅传感器
• 光纤光栅传感器(FBG)是利用 Bragg波长 对温度、应力的敏感特性而制成的一种 新型的光纤传感器。
光纤光栅工作原理
感光折射率 n 包层折射率 n2
包层
芯层折射率 n1
λ1 λ2 …λn
λ2 …λn
Λ
λ1
芯层
相位掩模板
紫外掩模写入法
+1级
-1级
包层 芯层
1 、光纤布喇格光栅原理
对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期 函数的傅里叶展开可以得到光栅区的实际折射 率分布为
该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它 给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅 特性的基础。
2 、光纤布喇格光栅传感原理 光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式
给出：
这里λUV是紫外光源波长， θ是两相干光束之间的 夹角。
(完整版)光纤光栅温度传感器
应用前景
光纤光栅具有耐腐蚀、防水、抗电磁干扰、集传感与传输 于一体、易 于埋到材料内部；
具有波长分离能力强、长期稳定性好、传感准确度和灵敏度极高；
可实现远距离和分布式传感，易于集成分布传感网络系统；
可广泛应用于航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域；
对工程结构的应力、应变、温度，以及结构蠕变、裂缝、整体性等结构 参数的实时在线监测，实现对结构内多目标信息的监控和提取；
依据安装环境定制各种不同用途的传感器，实现多参量多、远距离、同
一仪器监测的“物联网”技术。
传感器出厂时对应唯T0 一的温度系数 T ；传感器安装后记录环境初始温度
和传感T0 器初始波长值 ，并将T0该温度值及初始波长值记录于解调仪作为起 始值。今后传感器每一个波长值对应环境一个温度值。
温度传感器技术数据
温度监测：
光纤光栅温度传感器置于被测环境中，监测环境 温度的变化，并对预设温度极限进行报警。
❖ 电力方面 电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位 电缆隧道、夹层的火情监测 发电厂和变电站的温度监测、故障点的检测和火灾报警 （原理：高压线等腐蚀点、接触不良故障点由于电阻偏大，温度异常）
❖ 水利土木方面 大坝、河堤的渗漏（渗漏点温度异常） 大坝、河堤、桥梁的混凝土凝固与养护温度
工程案例
❖ 国家游泳中心—水立方 ❖ 胜利油田CB32A海洋平台 ❖ 秦皇岛热电厂开关柜温度监测 ❖ 安钢动力厂电缆温度监测系统 ❖ 中石油新疆独山子/塔里木石化油罐群感温火灾
温度/℃
温度曲线
100
y = 26.847x - 41204
光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上的应用
光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上的应用摘要：锅炉受热面管壁的温度测量是保证锅炉使用性能和安全运行的关键环节，而当前的测量方法存在局限性，不能满足精度和稳定性要求。
光纤光栅传感器由于其高精度、高稳定性等特性，逐渐被引入此领域。
本文首先阐述了光纤光栅传感器的工作原理、主要特性和优点，以及其不同类型和应用领域。
然后，对锅炉受热面管壁温度测量的重要性进行了不同的解释，同时对现有测量方法和其局限性进行了分析，最终阐明了高精度、高稳定性测量方法的需求。
接下来，本文详细介绍了光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上的应用情况，介绍了基于光纤光栅传感器的测量系统设计和实施，并对其进行了实验性能的评估与分析。
研究表明，光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上有显著优势，能够满足高精度、高稳定性的测量需求。
关键词：光纤光栅传感器；锅炉受热面管壁温度；高精度测量；高稳定性测量；引言在工业领域中，锅炉的使用扮演着重要的角色，它的安全运行是保障生产稳定的重要环节，而其中，对锅炉受热面管壁的温度测量尤为重要。
传统的测量方法由于其自身的局限性，在精度和稳定性方面无法满足实际的需求，这既影响了锅炉的工作效率，也可能引发潜在的安全隐患。
随着科技的快速进步，新型的温度测量技术应运而生，其中，光纤光栅传感器因其具备高精度、高稳定性等优点，越来越多的被应用于锅炉受热面管壁温度的测量。
光纤光栅传感器的工作原理简单明了，通过利用光纤光栅间的光强比，可以获得实现温度测量的高精度和高稳定性。
而且，不同类型的光纤光栅传感器可以满足在不同环境、不同条件下的测量需求。
然而，光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量的具体应用情况并未受到广泛的关注。
为此，本文详细的研究了光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上的应用情况，并提出了基于光纤光栅传感器的测量系统设计方案，最后，通过实验分析验证了该方法的可行性和优势。
1、光纤光栅传感器的原理及特点1.1 光纤光栅传感器的基本工作原理光纤光栅传感器的基本工作原理是基于布拉格衍射原理，通过光纤中的周期性折射率变化结构来实现对物理量的测量。
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基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用光纤光栅传感器是一种基于光纤的传感器，可以用于测量应变、温度、压力等物理量，广泛应用于工业、民用和科学研究领域。
其中，应变测量是光纤光栅传感器的一个重要应用，下面我们将
深入探讨基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用。
一、应变测量原理
应变是表征物体形变程度的物理量。
在物体受到外力作用时，
其原有的结构形态发生变化，长度或形状发生变化，这种变化称
为应变。
光纤光栅传感器的测量原理是利用光纤中的光栅作为敏感元件，通过测量光纤中的光信号的变化来测量物理量。
在应变测量中，
光纤光栅传感器的敏感元件是一段光纤，当光纤受到应变作用时，其长度或形状发生变化，导致光栅尺寸发生变化，从而改变了光
的传播路径和波长。
通过测量光纤传输的光信号的传播路径和波
长变化，可以计算出应变的大小。
二、应变测量应用
基于光纤光栅传感器的应变测量可以应用于多种场合，例如力学实验、结构监测、土木工程等。
下面将重点介绍在土木工程中的应用。
1.桥梁监测
桥梁是交通运输的重要组成部分，承担着极其重要的作用。
然而，由于气候、车辆荷载、地震等因素的影响，桥梁可能会出现应变和形变。
因此，桥梁的安全性和运行状态的监测是必不可少的。
光纤光栅传感器可以用于桥梁监测，通过测量桥梁的应变来判断桥梁的安全状态。
2.隧道监测
隧道是重要的公共基础设施，其长期使用会产生形变，引起隧道结构的损坏和病害。
因此，隧道的监测也是必不可少的。
光纤光栅传感器可以应用于隧道监测，通过测量隧道的应变来判断隧道结构的变形情况。
3.地质灾害监测
地质灾害是城市建设和农业生产过程中的重要问题。
地质灾害
可能对人民生命财产造成严重的损失。
因此，地质灾害的监测也
是必不可少的。
光纤光栅传感器可以应用于地质灾害监测，通过
测量地质灾害发生区域的应变来判断灾害的发生情况和规模。
4.混凝土构件监测
混凝土是建筑构件的常用材料。
然而，混凝土在使用过程中会
受到外界环境的影响，出现应变和形变。
而且，混凝土的损坏情
况不是很容易被发现。
因此，混凝土构件的监测也是必不可少的。
光纤光栅传感器可以应用于混凝土构件的监测，通过测量混凝土
的应变来判断混凝土结构的变形情况和损坏情况。
5.地下管线监测
地下管线是城市的重要基础设施之一，其长期使用会产生应变
和破损。
因此，地下管线的监测也是必不可少的。
光纤光栅传感
器可以应用于地下管线的监测，通过测量管线的应变来判断管线的损坏情况。
总结
基于光纤光栅传感器的应变测量具有很高的精度和灵敏度，可以应用于多种物理量的测量。
在土木工程中，基于光纤光栅传感器的应变测量可以应用于桥梁监测、隧道监测、地质灾害监测、混凝土构件监测和地下管线监测等多个领域。
这一技术的应用为城市建设和人民生命财产安全提供了有效保障。