新型光纤光栅传感器的设计
光电器・激粥
第t5卷增刊2004年5是
JournalofOptoelectronics・Laser
新型光纤光栅传感器的设计“
张伟嚣l,杨亦飞,刘
波,开桂云,藿孝义,袁树怠
(南歼大学现代光学研究所,天津300071)
演要:论述了兜绎宠糖传感器骜簧感爨理。扶单参数、双参数及多参数传感赫熊囊,深入聚究了蹩纾竞栅传感器的设计方法。探讨了光纤光栅敏化与封装技术。举实例阐述了新型光纤光栅传感器的设计方汝及实现途径。
荚键谰:走纤蹩援;光纾传感器;麟型传感器设计
1
引言
a有关的常数。式(1)是FBG波长传感的理论基稿,作用于FBG上的力学量N和热学魑G可通过赢接
传感器在当代科技领域及实际应用中占毒十分
燕要的地位,各种类型的蒋感器早已广泛地应用于各个学科领域。自从进入信息时代以来,传感技术更是发展迅速,各种用途的凝型传感器不断涌现。光纤光撩是近凡年发展最为逐速的蠢茺源器件之一,它一闷馓就受到了人们广泛的关注和缴视。现在,光纤光栅已成为光绊通信、光纤传感及其楣关领域令人瞩目的凝一代光予元件。对予光纤光瓣传感器,其感测过程一般是通过外界参量对光纤光栅中心波长或带宽的调制来实现的,属于波长调制型光纤传感器。以光纾
或间接的方式产生。若将FBG粘贼或埋置子弹性李重
底材料之中,剿FBG上产生的应变是通过衬底材料
的形变和热膨胀间接产生的。这时,式(1)具体化为
如下形式:
△A—A。(1~P,)£4-A。[a十善4-(1一声,)(d。一d)]aT
(2)
式中痧,为光终懿有效光弹系数,理,为衬底材料的热胀系数。3
3.1
光纤光栅传感器设计方法
单参数传惑器设计
光栅为传感基元,探索新型光纾光栅传感器的设计方
法和实现技术,开发质量优良、持久耐用、稳定性强、功畿集成的光纤光栅系列传感器,是最终实现模块化、产监讫、规模讫生产光纤光搬传感器的目标。
根据式(1),单参数传感要求从H≠0、龇“一0
或者撼拉一0、懿G≠0。予是,我识褥到
△AH—K(H)△H△A。一K(G)△G
(3a)(3b)
2光纤光栅传感机理
校据藕合模理论,满是帮喇格条件A一2n。“A酌光波能够被FBG反射(或透射)。实验证明,外场(如漏度场、应力场等)作用于FBG上会引起光纾光概常
础。
(3a)穗(3b)鼷式是光纾巍撩荸参数俺感嚣的设计基
根据(3a)张(3b)两式,由式(2)可得到光栅中心波长麓位移关系分羽如下:
△A,一Ao(1一P,)£
(4a)
数(概距)及光栅处的有效折射率的变化,使FBG的
中心反射(或透射)波长A。产生一定的漂移量△A。
其中,反映外场的力学量(或几何量)H(如应变£、应力F、力矩M等)通过影响FBG的A和弹光效应产生.△AH,热学量G(如温度T等)则导致FBG热膨胀
△Ar=A。La4-善+(1一P。)(a。一a)]AT(4b)
若羚场(应变场戏瀣度场)使光缍光瓣酶誉
宽发生变化,则可得到如下关系式
秘热光效应丽引起从。;。于是,我们褥到FBG的总
变仡关系式为
Aa“。(△£>
4-K(G)△G
(1)
|毅。一K。捷
(5a)
从一K(H)△H
式中,K(“)是与光纤传感系统的力学性质、光纤洎松眈帮纡芯有效据射率有关的常数,K(G)是与光纤
△A棚,。(AT)一
l激,一Kr6'T
(5b)
系统的热力学性质、纤芯的热光系数r及矮热胀系数
*
基金磺弱:国家“863”计划项目(2002AA313110).天津市辩技黧大攻关璞嗣,南开大学辩投翅薪基金资勖
万方数据
增刊张伟刚等:新型光纤光栅传感器的设计
式中,K。和K。分别为光纤光栅带宽传感器的应变灵敏度系数和温度灵敏度系数。
在实际设计中,使衬底奉孝趱产生应变的羚应力形式包括纵向应力(使FBG轴向拉伸或压缩)、横向应力(使FBG侧向弯曲)及扭应力(使FBG产生形变)。
耄式(4a)和<弱)、式(5a)秘(5b)可知,当FBG受N≠'f-
场(应变场或温变场)作用时,利用光检测仪器(如多波长计等)测壤FBG的反射或透射波长的变化,即可获得裰应羚场(瘟变场或漫变场)瓣定量信怠。特剐是,通过对传感机构的巧妙设计,可以将式(4a)或(5a)中的应变量转化或衍生为位移、应力、扭转、电流、振动等传感参量,玖露设计窭多静形式的光纾光栅单参数传感器。
3.2
多参数传感器设计
当光纾光褥受多耪外场(温度场、应交场等)作爰
时,根据式(1),我们得到
V,f
N“
AA一∑联H;)AH,+∑K,(Gj>△◇,
(6)
卜r
,=l
式中,NH、N,,分别为引起△A的H,、G,的个数。式
(6)是光纤光栅多参数传感器的设计基础。当NH+
N,,一2时。式(6)对应予双参数传感。
对于双参数传感,通过对传感机构的巧妙设计,可以设计出漏度与应变同时测量璎、温度主动补偿型及温瘦被动补偿型光纤光瓣双参数传感器。
3.2.1
温度与应变同时感测
对于传感光栅,我们可以选择两个对潺度T和应变£敏感的参量f;稳玉,使其同时对瀛度和应变进行编码,通过解下列联立方程,可将温度效应与应变效应剥离开来。
rl—K1i(£)£十K12(T)△T(7a)r2一K2l(£)e+K22(r)△T
(7b)
式中邑和&可以是光波长漂移撼、光强度j、耀位够
等参量。(7a)和(7b)掰式有解的条件是
K¨(£),K1瓦酉于砭了而
2(丁)
¨剖
,。、
解上述联立方程,静可确定温度与应变值,实瑰温度
与应变的同时测量。3.2,2温度主动补偿感测
采灞特豫的视构设计,将传感光栅粘鬟鑫在应变性质不同而温度属性一致的衬底材料上,使传感光纤光栅在感测过稷中温度和应变效应自动分离,条件为,K1l(£)≠K21<£),K,2(丁)一K:2(T)一K(T)。若采用波长编码,则(7a)和(7b)两式可写为
△Al—K“(£)£+K(丁)AT
(8a)
万
方数据・
247
・
△A2一K21(£)£÷K(。】’)A。】‘
(8b)
于是,出AA—l△A,一AA。【可确定传感光栅的应变效应,然后孬壶式(8a)或(8b)确定潼度传感效应。这静方法具有应变传感与温度无关(或温度不敏感)之特性,故具有良好的开发与应用前景。3。2.3湿度被动零}偿感测
通过引入辅助式温度传感光栅,可将传感光栅感
测的温度效应剔除,条件为K。,(e)一0。于是,(8a)秘(8b)两式可写为
△A1一K1l(£)£+K12(T)△T(9a)
△A2=K22(丁)△T
(9b)
莲l麟一l麟;一△孟:l可确定传感光栅酶应变效
应,但这种方法增加了光纤光栅的开销。
4光纤光栅的敏化与封装
光纤光栅的敏化是指通过改变光纤的成分、结构
以及嵌入或外贴树底材料的方式,使裸光纤光栅的应
变或瀑凄灵敏度系数增大或藏小的方法和技术。
光纤光栅的封装是指根据传感器的设计要求,采用特殊的机构设计并选用特殊的材料,对光纤光栅进行敏化性或缳护注封装,使箕满足实际PT‘程对传感器的设计需要。
在光纤光栅传感器的设计与实际应用中,光纤光概的敏仡稔封装燕裙辅穗成的,往往一并考虑处理。4.1嵌入式敏化与封装
指将光纤光栅粘敷于某种具有对应变、温度增敏与减敏的有枧物(翔聚合物>、金属、合金及特殊弹性体之中的敏化与封装方式。敏化材料一般有单一材料与混合材料之分;结构亦有管式、片式、针式、完全
封装与部分封装等之别。
图l~4为典型的嵌入式光纤光栅敏化与封装实例。
蓬1单一或滋念式聚金旗隽全型敏鼗毒封装示意耀
圈2缀合式聚金物郝矜型敏化与封装示意篷
・
248
・
FiberGrating
PolymerA
CoatedFiber
蓬3肇一式聚合秘部分鳖敏纯与錾装豢激嚣
图4缝会式聚金凝藤叠鳖敏戴与封装jl鼍意零
4.2
粘敷式敏化与封装
指将光纤光栅粘敷于某种具有对应变、温度增敏
与藏敏的有撬物、金震、合金及特稼弹毪俸表蘑的敏化与封装方式。敏化材料一般有单一材料与混合材料之分;结构亦有管式、片式、针式、完全封装与部分封装等之别。
图5~8为典型的外敷式光纤光栅敏化与封装
实例。
FiberGrating
MetalChip
CoatedFiber
圈5
片式完全鳖敏化慧射装示意爨
FiberGrating
MctalNeedle
CoatedFiber
圈6
针式完全型敏化与封装示意爨
FiberGrating
MetalTube
B
…◆
MetalTube
A
CoatedFiber
圈7
管式完众型敏化与瓣装示意圈
珏alf-MetalTube
鬻8半金震繁完全敏毒l:麓封装示意鬻
万
方数据光喧孑・激光
2004年第15卷
5
新型光纤光栅传感器设计实例
邋年来,我们蔹据上述理论分橱及设计方法,剥
用多种材料对光纤光栅传憋机构进行巧妙设计,研制
出诸多结构新颖、功能优良的光纤光栅传感器。以下篱介凡;|哮具有代表性的囊燮光纤光撵传感器实例。
5.1
新型光纤光栅温度补偿式扭转传感器
设计出一种新颖的组合式扭梁传感结构,利用外
径耪等的实心梁与空心粱爨线两铡应变分毒的差异,将一根光纤布喇格光栅沿与轴向呈一定角度粘贴在界线的表面,通过测量界线两侧光纤布喇格光栅反射
波长的差值,蓄次实现了免受温瘦影响的光终光襁扭
转传感测量。理论分析和实验结果均证明,在一定扭角范围内,界线饼侧光纤布喇格光栅反射(或透射)波
长漂移的差值对援角、疆短及扭应力(力臂一定时)均呈准线性关系,凰与温度变化无关。在±40。扭角范围内,搬角、扭矩的传感灵敏度分别达到0。092nm/
degree、2。076nm/Nm。图9为组合式掇梁光纤光裰
扭转传感结构示意图,图10为扭角∞=12。时不同温度下几组典型的光纤光栅的反射谱。
X
Z
瘸9
组合式援梁光纡光栅扭转传感绦梅示意豳
¨ADVAIrltST釉撇#}“ni
l”#l}t・^描l,t・州2#魏-}‘l搴li:《:{4
Wavelength
图lO攫囊母=12。时幂同湿度下几组典型的光纤光瓣豹菠射谱。{a)T----0℃,{b),=20℃,
(c)r=40℃。(d)T=601C
5。2
毅型毙绥必撩漫度补偿式位移传感嚣
将光纤布喇格光栅斜向粘贴于厚度相等的等腰三角形悬臂梁的侧厩,利用梁微弯导致的光纤光栅啁
嗽效应,通过测餐光纾光栅的带宽变纯,实褒了免受温度影响的光纤光栅位移和应力的传感测量。理论和实验均证明,这种传感器具有温度自动补偿功能。在位移、应力等参量酶传感实验中获褥了镤好豹线性
增刊张伟刚等:新型光纤光栅传感器的设计响应,位移和应力的传感灵敏度分别达蓟2.468nm/
ITIIII、2.26nm/'N。光纤光栅实验带宽达到15.5D_m。
图ll为潺度不敏感光纤光搬位移传感缮擒示意圈,图12为蹩温下光谱仪记录的凡组典型的光纤光栅反射谱。
图11温度不敏感光纤光栅位移传感结构示意圈
扫I【鼍
Wavelength
藏12室潺下巍谨仪锩聚豹足维葵燮藏光鲜炎撵反懿谖5.3
新型光纤光栅温度补偿式聪强传感器
选择两种力学性质不同而热学性质基本相同的
聚合物,将光纾布喇格光橱封装予盛在金斌圆筒内的
两种聚合物交界面的两侧,并使光纤布喇格光栅在两种聚合物中的封装长发尽量相同,并使金属羼篱的联端开疆,或…端封闭丽舅一端开口。理论和实验均证明.这种传感器具有对温度不敏感的特性。在一20℃~70℃之阚。对该传感器进行了液压秘气压的传感测量,压强灵敏度测量值为一2.67×10—5MPa一1,魁裸光纤光栅压强灵敏度值的13.5倍。
图13为滠度不敏感光纡光搬篮强传感缨梅示意图。图14是浚传感器测量液体压强的典型测量值。
圈13潺发不敏感港绎毙搬毯强传感结构零意萤
万
方数据・249・
亳=吾
喇姒铤
压强尸(MPa)
黧14该传黎嚣溅量滚锩珏强弱爨整涎耋蓬
5.4
新型光纤光栅应力一位移二维传感器
将一根光纤上写入的豫个不同波长的毒喇格光
栅(F8Gl,FBG2),沿矩形悬臂梁的中性面与表面的交线粘贴于靠近固定端两个相邻侧面,利用光纤布喇格光搬波长绝对缭码的特性,首次实瑷了应力(或应变)与位移的二维实时传感测量。理论分析和实验结果证明,通过监测粘贴于梁上的两个光纤布喇格光栅
波长漂移的大小秘搔囱,熊够实霹感测应力、位移等力学攮的大小和方向。在与梁轴垂麓的方向上,获得
应力实验灵敏度分别为6.62nm/N和3.98nnl/N,位移实验灵敏凄分别为0.36nm/mm和0。59
hiD.
mm。
图15为新型光纤光栅应力一位移二维传感结构
示意躅,图16为应力一位移二维传感光纤光搬光谱图,其中T一20℃,F.一0.60N,F,一一0.66N,F。一0。图17为应力一位移二维传感光纾光栅光谱图,其中T一20℃,F,>0,F、,<0。
阐15光纾溅褫应力一佼移二维传感缩擒示意闺
丁一20
C,F。一0.66N,F,=一0.66N。F。一0
圈16成力一位移:维传感光纤光栅光谱圈
・
250
・
・+^舯●小n驰3∞时tlrJls,¨h墙hlIⅢr・・
2l们*●-"l#:l,:特
Wh张轴壤瞧
_r一20
C,F。>O.F。<O
图17应力一位移二维传感光纤光栅光谱图
参考文献:
[1]WeigangZhang,GuiyunKai,XiaoyiDong,Shuzhong
Yuan,QidaZhao+Temperature-independentFBG-typetorsion
sensor
basedoncombinatorial
torsion
beam.1EEE
PhotonicsTechnology
Letters,2002,14(8):】154-
1156。
[2]WeigangZhang,XiaoyiDong,DeiunFeng。ZixiongQin,
QidaZhaoLinearlyfibergrating-typesensingtuning
byapplying
torsionstress.Electronics
Letters,2000,36
(20):1686一1688。
[3]XiaoyiDong,WeigangZhang,GuiyunKai,Shuzhong
Yuan,OidaZhao。NoveIBandwidthSensorBasedFiberGrating.ACTAOPTtCASlNtCA,2003,23:815—816。
[4]
WeigangZhang,GuiyunKai,XiaoyiDong+NovelTem—
perature—Independent
FBG・-type
Pressure
Sensor
with
Step-CoatedPolymers,AC下AOP丁lCASINlC盎,2003,
23
849—850.
(上接第245页)
[3]LoncarM.Low-thresholdphotoniccrystallaserEJ].Ap.
pliedPhysicsLetters,2002,81(15),2680*2682。
[.4]SongDS
Single-fundamental-modephotonic-crystalver-
tical-cavity
surface—emittingIaser
LJjAppIidePhysics
LetteFS。2002,80(21),3901・3903。
[5]
WadsworthWJ.Yb-dopedphotoniccrystalfibre
laser
J}.ElectronicsLetters,2000,36,(17),1452.1453.
Is]Hotonic-crystalfiberlaser
isscalableto
highpower[J]。
Laser
FocusWodd,2003,4。7.
[7]Monat.InP—basedtwo—dimensionaIphotonic
crystal
on
silm
icon:InP・planeBlochmode
laser[J].AppliedPhysics
Let一
万
方数据挑电子・澈光~2004年第lj卷
Is]WeigangZhang,DejunFeng,LeiDing,YingZhang.Xin—
yongDong,Chunliu
Zhao,Xiaoyi
Dong.Novel
FiberGratingSensingTechniqueBasedon
the
Torsion
Beam。
Proceedings
of
SHE,Taipei,China,July
26-28,2000,
4082:157—160.
[6]WeigangZhang,GuangZhou,ChunliuZhao。Qida
Zhao。
GuiyunKai,XiaoyiDong.Experiment
study
oftempera—
ture
sensitivity
fiber
gratingcomponentpackaged
with
mixedpolymers。InternationalSymposium
on
Optoelec—
tronic
andMicrOe{eetronics,Proceedings
ofSPIE,Nan-
iing.China,November7-9,200l,4603:224-227.
[7]张伟刚,开棱云,赵启大,袁树忠,蘸孝义.新型光纤
毒拉辏竞撵瀑瘦蠢魂1摹}褛簧感礤筑.光学学摄,2002,
22(8):999-1003.
Is]张伟刚,许兆文,杨翔鹏,开桂云,赵启大,袁树忠,董
孝义,蠲单党纾蹩援实瑗扭转与滋发鹣双参数俦感测量.光学学报,2002,22(9):1070。1075
[9]张伟刚,王跃,张东生,刘艳格,曾剑,开桂云,赵启大,董孝义.裁露光纤光搬实现力学量二维实激感测的研究光学学报,2003,22(11):1323.】327.
[10]刘波,童峥嵘,陈少华,曾剑.开桂云,菠孝义,
袁树忠,赵雇大.一种长周期光纾光栅边沿滤波线性解漏耘方法.光学学报,2004,2't(2):199.202,
[11]张伟刚,赵启大,开棱云,刘志国,董孝义.熬于弹性
梁的光纤光搬波长调谐原理及技术进展半导体光电,
2001,22(5):299—303,
[12]张伟刚,周广,梁龙彬,开桂云,赵启大,董肇义,混
合聚合物光纤光栅封装元件的温敏实验.光子学报。
2000,30(8)!1003.1005。
ters,2002,81(27),5102,5104.
[8]HappT,D,InP-basedshortcavitylaserwith2Dphotonic
crystal
mirrorEJ]E{ectronics
Letters,200t,37(7),428.
429
[9]DeppeD,WillsonG,Photoniccrystal
laser
technology
based
on
nanostructured噩-Vactivematerial[AIj
NSF
NanoscaleScienceandEngineeringGranteesConference
rGl.2002,Decll-13.
Li0]HwangJK,Two-dimensionalphotonicbandgap
nanocav・
ity
lasers[J].SPIE,2000,3950.202-208.
新型光纤光栅传感器的设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张伟刚, 杨亦飞, 刘波, 开桂云, 董孝义, 袁树忠南开大学现代光学研究所,天津,300071光电子·激光
JOURNAL OF OPTOELECTRONICS·LASER2004,15(z1)1次
参考文献(12条)
1.张伟刚;周广;梁龙彬;开桂云,赵启大,董孝义 混合聚合物光纤光栅封装元件的温敏实验[期刊论文]-光子学报2000(08)
2.张伟刚;赵启大;开桂云;刘志国, 董孝义 基于弹性梁的光纤光栅波长调谐原理及技术进展[期刊论文]-半导体光电 2001(05)
3.张伟刚;王跃;张东生;刘艳格,曾剑,开桂云,赵启大,董孝义 利用光纤光栅实现力学量二维实时感测的研究[期刊论文]-光学学报 2003(11)
4.张伟刚;许兆文;杨翔鹏;开桂云,赵启大,袁树忠,董孝义 用单光纤光栅实现扭转与温度的双参数传感测量[期刊论文]-光学学报 2002(09)
5.张伟刚;开桂云;赵启大;袁树忠,董孝义 新型光纤布拉格光栅温度自动补偿传感研究[期刊论文]-光学学报2002(08)
6.Weigang Zhang;Guang Zhou;Chunliu Zhao;Qida Zhao,Guiyun Kai, Xiaoyi Dong Experiment study oftemperature sensitivity fiber grating component packaged with mixed polymers 2001
7.Weigang Zhang;Dejun Feng;Lei Ding;Ying Zhang, Xinyong Dong, Chuniiu Zhao, Xiaoyi Dong Novel FiberGrating Sensing Technique Based on the Torsion Beam[外文期刊] 2000
8.Weigang Zhang;Guiyun Kai;Xiaoyi Dong Novel Temperature-lndependent FBG-type Pressure Sensor withStep-Coated Polymers 2003
9.Xiaoyi Dong;Weigang Zhang;Guiyun Kai;Shuzhong Yuan,Qida Zhao Novel Bandwidth Sensor Based FiberGrating 2003
10.Weigang Zhang;Xiaoyi Dong;Dejun Feng;Zixiong Qin, Qida Zhao Linearly fiber grating-type sensingtuning by applying torsion stress 2000(20)
11.刘波;童峥嵘;陈少华;曾剑,开桂云,董孝义,袁树忠,赵启大 一种长周期光纤光栅边沿滤波线性解凋新方法[期刊论文]-光学学报 2004(02)
12.Weigang Zhang;Guiyun Kai;Xiaoyi Dong;Shuzhong Yuan Qida Zhao Temperature-independent FBG-typetorsion sensor based on combinatorial torsion beam[外文期刊] 2002(08)
引证文献(1条)
1.李旦江.张德康.施海莹 大坝监测工程应用光纤传感器的若干技术要求[期刊论文]-大坝与安全 2009(3)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdzjg2004z1071.aspx