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FBG光学传感器基本原理及其优势

更新时间: 2019-04-29 12:48 来源: 勒夫迈 阅览: ↻ 技术文档
 

数十年来,电子传感器越来越普遍用于生活当中,但同时也存在许多限制。为了克服信号传输过程中的损耗,以及消除由电磁干扰引起的噪声影响,研发人员利用“光”作为介质取代“电”,使用标准光纤替代铜线,研发出基于光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术。

FBG光学传感器概述

光纤布拉格光栅(FBG)传感器是一种使用频率最高,范围最广的光纤传感器。这种传感器会根据环境温度以及应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样的光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。

当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候,光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波,这个波长称为布拉格波长。这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波,而其他波长的光波都会被传播,

λb= 2nΛ

在方程中,λb是布拉格波长,n是光纤纤芯的有效折射率,而Λ是光栅之间的间隔长度,称为光栅周期。

因为布拉格波长是光栅之间的间隔长度的函数,所以光纤布拉格光栅可以被生产为具有不同的布拉格波长,这样就能够使用不同的光纤布拉格光栅来反射特定波长的光波。

FBG光学传感器

光纤布拉格光栅透视图

应变以及温度的改变会同时影响光纤布拉格光栅有效的光折射率n以及光栅周期Λ,造成的结果就是光栅发射光波波长的改变。光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可近似表示为方程

FBG光学传感器

其中 Δλ 是反射波长的变化而 λo 为初始的反射波长。

右边加号前的第一个表示式表示的是应变的变化对反射波长的影响。其中Pe 是应变光学灵敏系数,而 ε 是光栅所受到应变影响。加号后面的第二个表达式表示的是温度的变化对波长造成的影响。其中 αΛ 是热膨胀系数而 αn 是温度光学灵敏系数。αn 体现了光折射率因为温度变化造成的影响而 αΛ 体现了同样的温度变化造成的光栅周期的改变。

FBG光学传感器的优势

通过“光”作为介质取代“电”,使用标准光纤替代铜线,FBG光学传感器解决了许多电子传感器的限制,同时不受电磁感应噪声的影响。并且测试的数据具有低丢失率甚至是零丢失率的优点,同时,多个光学传感器可以同时完成测试,极大地减小了测试系统的体积以及复杂度。

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