新型光纤光栅传感器的设计.docx

新型光纤光栅传感器的设计 新型光纤光栅传感器的设计 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 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 △Ａ—Ａ。（１～Ｐ，）￡４－Ａ。［ａ十善４－（１一声，）（ｄ。一ｄ）］ａＴ 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 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 （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，）￡ 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 Ａａ“。（△￡＞ ４－Ｋ（Ｇ）△Ｇ ｜毅。一Ｋ。捷 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 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 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。 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），