基于FBG的传感检测

下图介绍了基于FBG的传感检测，知识内容有主要应用场合、光纤光栅结构、光纤光栅传感原理、光纤光栅分类、制备方法等。

基于FBG的传感监测

• 发展前景
  • 1. 光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源
  • 2. 对光纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节，从波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色散补偿，到全光网络上下路、波长路由、光交换等，光纤光栅的应用将推动高速光通信的发展，将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色
  • 3. 在光纤光栅研究成果转化方面国内外的差距还不算太大，中国应集中力量发展民族光电子产业，使光纤光栅研究成果尽早产业化，为国家经济服务
• 在工程问题中的主要测量量
  • 1. 应变检测
  • 2. 温度监测
• 在实际工程问题中应用的优缺点
  • 1. 优点
    • 1. 抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响
    • 2. 电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动
    • 3. 难腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料－石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用
    • 4. .......
  • 2. 缺点
    • 1. 光纤光栅较适用于测量基于应变和温度变化的静态或准静态物理量（如应变、应力、温度、位移、索力、压力等），不适用于测量动态信号（如振动信号）和 湿度、风速等信号
    • 2. 光纤光栅直接反映应变和温度耦合的变化，在测量应变时，必须进行温度补偿
    • 3. 光纤光栅传感器和解调设备不便于现场调试。为减少光纤信号损耗并避免空气或灰尘进入法兰盘导致激光无法传输，一般使用光纤熔接的方式接联传感器，这样不能满足在现场调试阶段经常拆换传感器的需要
    • 4. .......
• 制备方法
  • 采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅
  • 成栅方法
    • 短周期光纤光栅的制作
      • 1. 内部写入法 内部写入法又称驻波法
      • 2. 光纤光栅的单脉冲写入 由于准分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J·cm－2，又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅
      • 3. 位掩膜法 [1] 将用全息干涉法制作好的玻璃相位掩模板置于光纤前，然后以248nm的紫外光通过相位掩模板，依靠相位掩膜板具有的压制零级，增强一级衍射的功能
      • 4. 飞秒逐点写入法 使用飞秒激光器作为光源，然后利用精密机械控制激光器运动位移，逐点写入光栅，通过控制激光器的移动速度可写入任意周期的光栅
    • 长周期光纤光栅的制作
      • 1. 金属掩膜法是制做长周期光纤光栅最常用的一种方法
      • 2. 逐点写入法 此方法是利用精密机械控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅
• 光纤光栅分类
  • 均匀光纤光栅
    • 1. 均匀长周期光纤光栅
    • 2. 切趾光纤光栅
    • 3. 相移光纤光栅
    • 4. .......
  • 非均匀光纤光栅
• 将光栅粘贴或预埋在被监测物体表面或内部
  • 1. 用胶粘剂粘贴在物体表面
    • 通过控制粘接剂弹性模量、粘贴长度、粘接层厚度等影响光纤光栅传感器应变传递率的关键因素，实施光纤光栅传感器的粘贴
  • 2. 在材料成型前预埋在物体内部
    • 对工艺有所要求，一般适用于复合材料
• 光纤光栅传感原理
  • 基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器
    • 原理图
      • 被测量作用于栅区转变为波长的变化进而解调为被测物理量
• 光纤光栅结构
  • 光纤纤芯、光纤包层、外包层和折射率周期变化
    • 1. 光纤
      • 子主题
    • 2. 光栅
• 主要应用场合
  • 1. 在航天器及船舶中应用
    • 这类材料一般为复合材料，面积大，适合光纤光栅传感一纤多点，尺寸小，重量轻
  • 2. 在民用工程结构中的应用
    • 诸如桥梁，大坝，隧道等组成传感网络，提高监测效率
  • 3. 在电力工业中的应用
    • 在线监测电线压力时，相邻光栅的间距较大，故不需要快速的调制和解调
  • 4. 在医学中的应用
    • 1. 传统电子传感器易受电流影响容易产生热效应使读数错误
    • 2. 尺寸小，传感稳定，能够最小限度的减少对人体的损害，且能获得较高的精度
  • 主要应用的问题在于-解调
• 发展过程
• 大致时间
  • FBG 最早由NASA 应用到航空结构的应变测量。2000 年前后进入成熟应用阶段
• 方法
  • 1. 掺入光敏性杂质，如：锗、锡、硼等
  • 2. 多种掺杂（主要是B/Ge共接）
  • 3. 高压低温氢气扩散处理
  • 4. 剧火