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《安全检测技术》课程设计论文

光纤光栅传感器在桥梁安全监测中的应用

姓名：孙红月

安徽建筑工业学院08安全工程2班（学号：08201040237）

摘要：

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。

关键词：光纤光栅传感器桥梁工程安全检测

光纤传感器的工作原理

1·光纤光栅传感器的结构

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50～100μW。而当被测温度或压力加在光纤

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光栅上时。由光纤光栅反射回的光信号可通过3dB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。

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：

式中，ε为应力，P[i，j]为光压系数，v为横向变型系数(泊松比)，α为热胀

系数，△T为温度变化量。一般情况下，(2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]／2因

子的典型值为0．22，可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力相应

条件值为：

利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化的不同，可实现对磁场的直接

测量。如通过在光栅上涂敷特定的功能材料(如压电材料)，可实现对电场等物理

量的间接测量。

3·长周期光纤光栅

长周期光纤光栅(LPG)是一种新型的光纤光栅，光栅周期一般大于100μm，

是继FBG之后光纤光栅型传感器的另一分支。长周期光栅的透射峰波长主要与

光栅的栅格周期以及纤芯和包层的折射率有关，其相位匹配条件可表示为：

式中。Λ为光栅周期，*****分别为纤芯和包层的折射率。*****为第P阶包

层模的透射波长。当光纤包层模与外界环境相互作用时，被测因素的变化将对光

纤的传输特性进行调制，从而使LPG的透射谱特性发生变化。这样，探测出LPG

透射谱线的变化，即可推知被测变量的变化，这就是LPG传感的基本原理。

4·分布式光纤光栅传感系统

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目前，除光纤光栅型传感