基于白光干涉的光纤传感技术

,Page,48,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/10/4,#,基于白光干涉的光纤传感技术,目录,1.,引言,2.,白光干涉式光纤传感器的优点,3.,用于光纤应变、温度传感测量的光程变量表征方法,4.,光纤白光干涉仪,5.,基于光纤白光干涉方法的应变、温度测量技术,6.,表观应变与温度补偿技术,1.,引言,应变,温度,光,纤,白,光,干,涉,技,术,M-Z,干涉仪,迈克尔逊干涉仪,白光干涉测量使用低相干、宽谱带光源，同所有的干涉原理一样，光程的改变可以通过观测干涉条纹来进行分析,。,1975,年提出原理,1976,年在光纤通信领域中实现了可能方案,1983,年首次报导其在传感技术中的应用,1984,年报导第一个完整的白光干涉技术位移传感系统,1985-1989,年，白光干涉原理传感器广泛应用于,研究,压力、温度和应变测量,利用低相干技术的光纤传感器，其最基本的结构如图所,示,：,相对于传感干涉仪串接的第二个问询干涉仪对于获得干涉条纹信息来说是必须的，这个串接的结构将取决于处理干涉信号的方法，选用分光计还是第二干涉仪的结构，要取决于频谱分析还是相位分析。,小结,自从,1990,年以后，光纤白光测量技术已经持续,发展,白,光干涉测量技术提供了更多的绝对测量的解决,方案,近十,余年来,，白,光干涉测量技术得到了较大,发展,光纤,白光干涉仪的另外一个优点就是可以容易的实现,多路复用,2.,白光干涉式光纤传感器的,优点,光纤智能结构是指结构中集成了光纤传感器的遥测系统。,通过光纤传感器实现“应变”,监测,；,在,需要时，也可以进行“温度”的测量。,通常与结构兼容，嵌于结构内部，以便进行,监测,；,有时,也将传感器黏附结构表面。,简,介,由于,白光干涉光纤应变传感器具有长度可灵活改变、柔韧性好和结构简单等特点，对于形变测量特别适合,。,一种典型的白光光纤应变传感器,由,右,图,给出,。,它,由一段标准的单模光纤组成,。,L,作为传感器的标称长度，应变测量时通过直接测量这段光纤的伸长,L,实现的。,小结,白光,光纤传感器主要优点如下,：,小尺度；,几何形状可变；,本质安全；,高灵敏度；,抗电磁场干扰；,与材料和结构兼容；,制作安装方便；,结构简单，低造价；,易于多路复用；,传感器长度可变。,3.,用于,光纤传感,测量的光程变量表征,方法,假设,感兴趣的被,测量是应变,，,但是,测量,任何应变都,无法避免温度变化带来的干扰，所以,必须同时测量温度,变化,。,热膨胀、温度对光纤折射率的影响以及纯粹机械应变都将包含在被测量中。因而，温度补偿技术是一个重要组成部分,。,另外一,个常常,做的假设是，光纤传感应变测量的应变是纯粹的轴向,应变。,事实上，光,纤,本身所感知应变与基体结构应变相关，但不完全一致,。,我们将重点研究传输机制，即通过对沿光纤传播光波特性变化来对局域应变和温度值进行求解。,标定过程：,施加一个已知的温度和应变在基体结构上,光纤因此产生相关参数（例如光程差）的变化,变化结果通过干涉解调单元（例如迈克尔逊干涉仪或,M-Z,干涉仪）的机械位移而解调,得到系统参数,在未知应变施加于基体结构上时，使系统以一个对应信号作为输出,光纤芯折射率,光纤传感器的标称长度,用下标,1,来表示沿着光纤的,z,方向，,2,和,3,分别表示处于光纤横向截面内的两个正交的方向,x,和,y,，如下图所示：,4.,光纤白光,干涉仪,单色或者长相干长度光源干涉,仅能实现,2,弧度相位内光程差的测量，超过此范围，将对应一个周期性的输出信号,干涉条纹信号中主干涉中央条纹的位置可被精确判定,白光干涉仪,主要困难,光纤迈克尔逊干涉仪结构：,当,两个光束之间光程差小于光源相干长度的时候，就会产生一个白光干涉图。当两光束的光程绝对相等时，光程精确匹配，干涉图中出现中央条纹，该中央条纹位于干涉图中心，具有振幅极大。部分相干传输函数，可以用描述光源光谱特性的自相关函数进行表示,。,对于,LED,光源，光谱分布可以用一个高斯函数进行描述，如下图：,下表给出了典型的,1300nm,波长,LED,光源各参数,值,物理量,中心波长,光谱半宽（,FWHM,）,相干长度,光谱系数,相对强度系数,符号,数值,1310nm,35nm,49m,2.8,0.37w/m,用上表中的数据替换上式中的常数。并设计耦合器的插入损耗,=0.95,和反射率,R=91%,，白光,干涉图样如图所示。,传感臂,：,光纤光程长,S=2nL,1,参考臂,：,光程总和,2nL,2,+2X,调整,扫描镜的位置，使传感臂和参考臂的光程可以发生匹配，也就是说满足,2nL,1,=2nL,2,+2X,。,在,该位置附近，出现与,上,图类似的白光干涉图纹,。,其中,，零级条纹近似在干涉条纹的中央，具有最大的振幅，对应于两臂光程精确相等处,。,5.,基于光纤白光干涉方法,的测量技术,用于实际测量中的光纤白光迈克尔逊干涉仪的组成,与,上,图所,示的结构相比存在一些差别。如下图所示，,传感器两,个端面上产生两个传感,信号,：,一,个信号来自于传感器前端面的部分,反射。,这部分反射光通过长度为,L,0,的传感器。第二个,光信号,在传感器的后端面反射,。,当,参考臂的反射器扫描时，两臂光程差发生匹配，白光干涉条纹出现,。,反射器,前后两次获得白光干涉中心条纹的位置的差值（,X=X,2,-X,1,）与传感器的长度相对应：,X=,X,2,-X,1,=nL,0,5.1,应变测量,5.2,温度测量,6.,表观应变与温度,补偿技术,Thanks!,