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光纤光栅传感器原理与应用特点

光纤光栅

近年来,随着光纤技术日新月异的发展,出现了大量新型的光纤和光纤器件,同时伴随着各类新型光源和光纤探测器的使用,光纤传感技术在技术发展和实际应用上有了突破性进展。

光纤传感器作为光纤的重要应用受到越来越多的关注,其所具有的体积小、重量轻和灵敏度高等应用特性,在防磁场干扰、防腐蚀、防水性和耐高温高压等方面有着传统电子传感器无可比拟的应用优势。
光纤光栅传感技术是光纤传感技术领域重要的分支,其传感原理为外界物理参量变化引起光纤光栅中心波长漂移,通过监测光纤光栅中心波长大小获得物理参量具体信息,从而实现传感。光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器,除普通光纤传感器特性外,具有测量精度更高、分辨率更好以及更适合分布式测量等特点。

光纤光栅传感器原理与应用特点

由于光诱导作用可以在掺锗的光纤中产生光栅效应,从而成功制作出世界上第一根光纤光栅。自此以后,光纤光栅的基本原理、制作方法及实际应用被大量研究人员进行了深入研究。
光纤的主要材料为石英,由芯层和包层构成,外层由涂覆层保护。通过对其芯层掺杂,使芯层折射率(n1)大于包层折射率(n2),形成光波导,光即可在芯层中传播。当光纤受到外界因素调制,芯层折射率受到周期性变化,形成光纤光栅。相位掩模法是目前光纤光栅制作最方便和效果最好的方法,简化了制作过程,降低了制作成本。光纤光栅种类繁多,其中典型的是光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG),FBG也是发展最早,应用最广的光纤光栅之一。

光纤光栅基本传感原理

通过某种方式在光纤纤芯上形成空间相位光栅,当光通过光纤光栅时,前向传输与后向传输的纤芯模式之间发生模式耦合,使得前向传输的纤芯模式转移为后向传输的纤芯模式,即反射了波长在光纤光栅中心反射波长(λB)的入射光,光纤光栅中心反射波长受应变和温度影响,可通过监测光纤光栅中心反射波长的大小,实现对应变和温度的传感。其他物理参量如压强、位移等,均可转化为温度或压力等因素直接作用于光纤光栅
上,从而可利用光纤光栅实现对各物理参量的传感。

光纤光栅应用特点

基于光纤光栅本身材料特性和结构特征,以及其传感原理,其具有很多显著的优点。

(1)体积小、重量轻、结构简单与外形可变。

通常光纤光栅只有3~5 cm长度,光纤质量又轻,光纤光栅传感头是一种小巧灵活、便于携带的器件,且可根据光纤光栅传感器实际使用情况,进行不同类型的封装以满足不同的传感需求。

(2)化学稳定性好。

光纤光栅的主要构成材料为二氧化硅,而二氧化硅有着良好的化学稳定性,故光纤光栅传感器防腐蚀性强,适用于化学腐蚀性的恶劣环境,也适用于各类生物体环境。

(3)物理稳定性好。

光纤光栅主要构成材料为二氧化硅,故光纤光栅对电绝缘,同时可防水和耐高温高压。

(4)不受电磁干扰。

由于光纤光栅的工作原理,其具有不受电磁干扰的特性,尤其适用于辐射强度大的恶劣环境,如应用于核磁检测等特殊环境下的医用检测。

(5)传感灵敏度高。

光纤光栅通过监测中心反射波长的变化实现传感,故测量灵敏度高,由于很多医学检测的变化量均极小,一些普通传感器无法测量出变化量,故光纤光栅的这一特性确保其可应用于医疗设备传感领域。

(6)测量准确度高。

基于光纤光栅的传感原理,不受光源等其他因素干扰,其测量准确度较高,而医用传感器对测量准确度要求很高,使光纤光栅这一特性较好满足医用传感器的测量准确度要求。

(7)分布式实时测量。

利用多种复用技术可将多个光纤光栅串联,形成一个分布式传感网络,测量多个点的物理量。测量数据通过光纤实时传输到探测器,最终实现对多个物理量的实时检测。此特性可满足医用传感器多参数测量的要求。

(8)测量范围广。

通过对光纤光栅结构和封装设计,可实现对各类物理参量的测量,如应变、温度、压力、旋转速度以及pH值和湿度。

 

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