Bragg光栅传感器.ppt

Institute of Lightwave Technology Xiamen University * Bragg光栅传感器 * 目录 引言 光纤 Bragg光纤光栅 Bragg光纤光栅传感器 总结与展望 * 引言 1978年Hill等采用驻波写入法制得第一个FBG 1989年Meltz等提出侧面曝光法 1993年Lemaire等把掺锗光纤进行高压载氢 光纤光栅技术发展概况 1993年Hill等提出相位掩模板法 近年来集中研究光通信和光纤传感方面应用 * 光纤 横截面像英文大写字母fff的光纤 制作方法 直接研磨常规单模光纤； 研磨常规单模光纤预制棒再拉丝。 图1 fff形光纤的横截面示意图 * Bragg光纤光栅 图2 fff-FBG制作方法 制作方法 在fff-shapefff Fiber中刻写光栅 研磨Bragg光栅 * fff形Bragg光纤光栅 普通Bragg光栅传感原理 是纤芯有效折射率， 是光栅周期 温度、应变等外界环境发生变化 弹性形变效应使光栅的周期伸长或缩短 弹光效应使光纤的折射率发生变化 光栅中心反射波长随环境条件而改变 * fff形Bragg光纤光栅 fff形Bragg光纤光栅特性 外部折射率敏感特性 光纤Bragg光栅导模的有效折射率与归一化频率 有关 为纤芯半径， 和 分别为fff形Bragg光栅的纤芯折射率和外界接触物质的折射率， 为自由空间波长 外部折射率改变 归一化频率 变化 导模有效折射率改变 中心波长发生改变 * fff形Bragg光纤光栅 fff形Bragg光纤光栅特性 弯曲敏感特性 图3 fff形光纤弯曲示意图 (a)朝向侧平面弯曲；(b)背向侧平面弯曲；(c)参考坐标系 * fff形Bragg光纤光栅 fff形Bragg光纤光栅特性 弯曲敏感特性 弯曲在纤芯产生的平均应变为： Bragg波长相对漂移量为： * fff形Bragg光纤光栅 fff形Bragg光纤光栅特性 弯曲敏感特性 图4 Bragg波长相对漂移量与曲率的关系曲线 * fff形Bragg光纤光栅传感器 气体、液体浓度传感器 对外界折射率的敏感特性，可直接作为气体、液体等浓度的传感元件。 图5 NaCl溶液浓度对fff型Bragg光栅波长的影响 纯水/不同浓度的NaCl溶液 图6 NaCl溶液浓度和相对波长偏移量的关系 浙大 沈乐等 * fff形Bragg光纤光栅传感器 高温传感器 普通FBG传感器（200℃） 红外飞秒激光器刻写、掺杂化学成分（1100℃） 提高热稳定性的光栅传感器（800℃） Tyson L.Lowfffer et 图7 Bragg波长相对漂移量与温度的关系曲线 * fff形Bragg光纤光栅传感器 弯曲及相关传感测量 弯曲敏感—本征特性；不需要任何的附加结构或者封装，传感头尺寸小，非常适合应用在智能材料中。 图8 光栅波长漂移与温度、曲率关系曲线 基于fff-FBG温度弯曲同时测量 F M Araujo et * fff形Bragg光纤光栅传感器 弯曲及相关传感测量 实验测量原理图 图9 实测Bragg波长与线位移量的关系曲线 基于fff-FBG线位移测量 周金龙 假设fff形光纤弯曲时，参与的各个部分曲率半径相同，即发生等弯曲形变，线位移与曲率半径满足 ； 可直接用光纤光栅测得较大的线位移量，系统结构简单可靠 图10 光纤光栅位移传感器 * fff形Bragg光纤光栅传感器 弯曲及相关传感测量 基于fff-FBG线位移测量 周金龙 图11 (a)铺层滑移监测示意图； (b)裂缝监测示意图 结合温度补偿技术，就可以将这种方案具体应用在桥梁、公路的铺层滑移和裂缝监测中 * fff形Bragg光纤光栅传感器 弯曲及相关传感测量 基于fff-FBG加速度测量 周金龙 图12 基于fff-FBG的加速度计 (a)结构示意图；(b)实物图 图13 光栅波长漂移量与加速度的关系曲线 优点是传感头体积小，结构简单。 光栅波长相对漂移量与加速度成线性关系： * 总结与展望 fff形Bragg光纤光栅是近年来研究的一种新型的技术，由于结构的非圆对称性，纤芯离包层一侧较普通光栅近，于是外界与光栅的作用更强，使得fff形Bragg光纤光栅具有一些独特的性质，如对外部折射率敏感特性，对弯曲的敏感特性等。因此，fff形Bragg光纤光栅为传感领域的应用提出了新思路，但由于它与常规单模光纤熔接困难，耦合损耗较大，而且设备昂贵，制造困难，一定程度上限制了它的应用范围和发展。 * Thank you!! Institute of Lightwave Technology Xia