光纤bragg光栅传感原理

原理方面主要参考：2 姜德生,RichardOClaus.智能材料、器件、结构与应力.武汉:武汉工业大学出版社,20003 廖延彪.光纤光学.北京:清华大学出版社,20001、光纤Bragg光栅传感原理光纤Bragg光栅应变传感器工作的基本原理可以归结为Bragg中心波长的测量。Bragg中心 波长入B与光纤纤芯有效折射率nef以及光纤光栅呈周期性变化的纤芯折射率一个周期的长 度八相关，它们有如下关系：B= 2 neffA (1)从式可知，光纤纤芯有效折射率neff和光栅折射率变化周期八的变化都可以导致 Bragg中心波长的漂移。当光纤Bragg光栅粘贴在构件表面或埋入材料内部时,基体材料发生 的形变传递到光栅区，会导致光纤光栅的折射率周期A以及有效折射率neff均发生改变，从而 产生Bragg中心波长的变化，由解调系统测得Bragg波长的漂移量，根据光纤光栅的应变灵敏 系数即可以得到应变值，光纤Bragg光栅应变传感原理如图1所示。Fig. 1Schematic diagram for FBG sensing pirnciple光纤光栅周围的温度场和作用在光纤光栅上的应变变化都能够导致Bragg中心反射波 长的漂移。应变影响波长是由于光纤光栅周期八的变化及由此产生的弹光效应改变了有效 折射率;温度导致波长漂移则是由于热光效应和光纤的热膨胀。在应变和温度的共同作用 下,Bragg中心反射波长的相对漂移为mA入B= (1 - Pe) e + (a +丿A T式中，入B为Bragg中心反射波长,人入为Bragg中心反射波长的变化量,Pe= neff2 P12 - v ( P11 + P12) /2为光纤的有效弹光系数,P11和P12为弹光系数,v为光纤纤芯材料的泊松 比,为光纤光栅所受的轴向应变,A T为温度的变化量,a和g分别为光纤的热膨胀系数和 热光系数。式也可以写作:A入=K A + ktA T式中的两个系数K和陌都可以由实验获得。从 式知，单独的光纤Bragg光栅无法区分由 应变和温度所分别导致的Bragg中心波长的变化，为了去除环境温度波动对应变测量的影响, 光纤Bragg光栅用做应变传感时，必须采取温度补偿措施。1 基本工作原理实验中所使用的光纤光栅均为Bragg光纤光栅其折射率调制周期是均匀的,故满足Bragg条 件,即入b = 2爲A式中，几b为Bragg波长,为光栅有效折射率(折射率调制幅度大小的平 均效应）,+为光栅周期（折射率调制的空间周期）。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,将引起n和A的相应改变，从而导致九的漂移，反过来，通过检测九的漂eff B B 移,即可得知被测物理量的信息，光纤 Bragg 光栅传感器的研究工作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九的漂移可表示为B入1 dn 1 d An 2B （e +） A T + 1 畴 p u （p + p ） 8入 n dT A dT2121112Beff式中，8为应力，p为光压系数，u为横向变型系数（泊松比）,a 丄仏为热涨系数, ijA dTAT 为温度的变化量。因此由上式可知，在排除或者忽略温度变化影响的时候，光纤光栅 Bragg波长的变化仅与应力的变化相关，且是成正比的5，根据这一原理即可利用光纤光栅来测量压力的变化。5刘云启,郭转运,刘志国,等.光纤光栅的压力传感特性研究.光子学报,1999,28(5):443445LiuYQ,GuoZYLiuZG,etal.ActaPhotonicaSinica,1999,28(5):443445Fiber Bragg gratings are periodic alterations in the index of refraction of the fiber core， which can be produced by exposing the optical fiber to the intense UV light. Only the specified wavelength (Bragg wavelength) related to its grating period is reflected for an input light wave from a broadband source. The Bragg wavelength 尢 Bis given by九2n AB effwhere neffis the effective refractive index and Ais the grating pitch.Therefore， FBG sensors can be used for measurements of strain， temperature， and pressure in static and dynamic detection regimes. The wavelength shift corresponding to a strain change is given byA九a A8 (2)B8where a is a transmission coefficient related to strain shift.8As it is shown in Eq. 2， strain transmission coefficient a ， is the parameter that decides the basic8sensing performance of a FBG sensor. It is influenced by many factors such as the difference of Youngs modulus between the fiber and the measurement target， the quality of adhesive used to fix the fiber sensor and so on. For a bare silica glass fiber， the wavelength-strain sensitivity of a 1550 nm FBG is 1.2 pm/8, whereas its temperature sensitivity is 10.3 pm/ oC4. For strain measurements in a temperature-varying environment， an interrogation technique is required to distinguish both effects. In our laboratory experiments， the thermal environment was sufficiently s table， and no additional effort for temperature detection was necessary.