AppliedTechnology应用技术文章编号院1674-9146渊圆园12冤12原园园原园3光纤光栅传感技术研究及应用韩红远袁朱翔宇袁王建农渊太原市电子研究设计院袁山西太原030002冤摘要院从光纤光栅的基本原理出发袁综述了光纤布拉格光栅尧长周期光纤光栅在温度尧应变等方面的关联特性及光纤光栅传感器的构造尧主要特点尧技术参数等袁并介绍了常见的光纤光栅传感器在各个领域的具体应用遥关键词院布拉格光栅曰长周期光纤光栅曰传感器中图分类号院F49文献标志码院ADOI院10.3969/j.issn.1674-9146.2012.12.0光纤光栅传感器是近年发展起来的新型传感器袁它是利用光在光纤中传播受到某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件遥目前袁光纤光栅传感技术的研究主要集中在3个方面院一是利用FBG光纤光栅对其轴向应变和温度变化袁引起其中心波长变化的高灵敏度尧高分辨率特点袁在多行业尧多领域进行多种类型的实用新型光纤光栅传感器研究曰二是利用长周期光栅渊LPFG冤尧为啁啾光栅渊chirp光栅冤与FBG光纤光栅不同的特点袁研究制作FBG光纤光栅无法实现或光纤光栅传感解调技术实用性研究袁使之实用尧产品化遥由于光纤光栅传感技术具有分布式尧本质安全尧抗电磁干扰能力强尧体积小尧耐腐蚀尧灵敏度高尧性能稳定强尧可在恶劣环境中工作等优点袁所以袁在光纤光栅传感系统整作成本降低尧产品化之后袁将会在我国各个行业尧领域得到广泛应用遥1光纤光栅基本原理
光纤光栅有很多种类袁目前袁主要研究的有3种类型院一是FBG光栅又称短周期光栅袁主要利用它的背向反射特征制作传感器曰二是LPFG光栅又称长周期光栅袁主要利用它的同向透射特征制作传感器曰三是chirp光栅又称啁啾光栅袁主要利用它的色散补偿特征制作光纤传感和光源的器件遥光纤光栅分为周期性和非周期性的尧长周期和短周期的尧色散补偿型光栅和滤波型的遥文中主要介绍的是FBG光栅袁并对LPFG光栅进行简单介绍遥
收稿日期院圆园12原10原18曰修回日期院圆园12原11原191.1光纤布拉格光栅渊FBG冤原理
布拉格光纤光栅渊简称FBG光栅冤的制作方法很多袁最早是1978年袁加拿大渥太华通讯研究中心的K.O.Hill等人首次在参锗石英光纤中发现光纤的光敏效应袁采用逐波写入法制成世界上第一只光形成周期性的光栅袁通常周期小于0.5滋m袁称为布拉格光纤光栅袁见图1遥
输入信号发射信号撰1-aII姿R=2n撰传输信号光纤吟着全息写入光栅I应变引起波长移动姿R姿纤光栅[1]遥在石英光纤上写入光栅袁使之在光纤上
比其精度更高的光纤光栅传感器曰三是进行分布式
姿1-b输入谱姿R1-c传输谱姿1-d发射谱图1光栅原理图布拉格光纤光栅波长姿B计算公式为
姿B=2n撰袁
式中袁姿B为光栅波长袁n为有效折射率袁撰为光栅周期遥
当光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化以及其他因素影响袁会引起光栅的周期撰或纤芯折射率n发生变化袁从而造成姿B反射光波长发生变化遥在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前尧后袁检测其反射光波长姿B的变化袁就可以计
渊1冤
作者简介院韩红远渊1965-冤袁男袁山西临猗人袁高级工程师袁主要从事光电传感器研究袁E-mail院hhy65317@163.com遥科技创新与生产力2012年12月总第227期园愿怨Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.应用技术AppliedTechnology算出光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化数值遥布拉格光纤光栅主要研究是温度尧应变和应力的检测[1]遥
温度和轴向应力发生变化袁会导致的光栅中心吟姿B=2n撰{1-n2/2[P12-v渊P11+P12冤]}着+
2n撰[琢+渊1/n冤渊dn/dT冤]吟T袁
器袁进入可调谐滤波解调系统袁可调谐滤波解调系统对所有光纤光栅传感器反射波进行解调尧计算尧处理袁得出每个光纤光栅传感器中心波长的变化数值袁进而确定了空间分布的每个光纤光栅传感器的实际数据袁在计算机屏幕上显示袁见图2遥
宽带光源耦合器传感器S1S2S3S4调谐控制信号可调谐窄带光滤波器探测器Sn波长姿B发生变化遥表达式为
式中袁着为应变袁P[i袁j]为光压系数袁v为泊松比袁琢为热胀系数袁吟T为温度变化量遥
由式渊2冤可知袁若温度和轴向应力任何一项发生变化袁会导致的光栅中心波长姿B发生变化遥所以袁必须对测量数据进行特殊计算和对传感器设计进行特殊技术处理袁才能实现应变尧应力和温度的精确测量遥
1.2长周期光纤光栅渊LPFG冤
长周期光纤光栅渊LPFG冤是相对FBG光纤光栅而言的袁它比FBG光纤光栅的周期长很多袁其周期可从几十微米到几百微米遥它与FBG光纤光栅的工作原理不同袁主要检测其透射波长的变化遥它的数学模型比较复杂袁是以空气为外包层的三层阶跃耦合结构袁主要是基模与同向包层模之间的耦合袁它的损耗峰较宽袁有宽阻带滤波特性遥具有后向反射率低尧带宽宽等特性袁它对应力尧温度尧外部折射率变化都有响应袁而且对应力尧温度变化的响应灵敏度比FBG光纤光栅高得多袁对横向应力也有反应袁是现在光纤光栅传感器的研究重点袁利用其特点可研制出温度尧振动尧加速度尧磁场尧液体尧气体等传感器袁应用前景广泛遥2光纤光栅传感系统
光纤光栅具有与传统电类传感器不可比拟的优点袁具有分布式特点袁可在1根光纤上连接多个光纤光栅传感器袁分布式光纤光栅传感系统可以实现分布式多点准确定位尧实时测量遥所以袁在对光纤光栅传感器进行进一步研究之外袁还对光纤光栅传感系统的分布形式进行研究遥分布式光纤光栅传感系统是在1根光纤上串接尧并接多个光纤光栅传感器袁每个光纤光栅传感器的工作波长必须不同袁并且有一定间隔袁不能重叠遥
分布式光纤光栅传感系统又称准分布式光纤传感系统袁可以实现多通道分布式实时监测遥
光纤光栅传感系统主要由ASE宽带光源尧光纤光栅传感器尧信号解调系统等组成遥工作原理为院ASE宽带光源的宽带光经过耦合器进入光纤光栅传感器袁光纤光栅传感器的反射波再经过耦合园怨园SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY晕燥援12Dec.圆园12袁栽燥贼葬造晕燥援227渊2冤
信号解调系统A/D转换器数据处理计算机图2光纤光栅传感系统3常见光纤光栅传感器
光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力多参数的准分布式测量上遥温度和应力可分别制成2个光纤光栅传感器袁分别对温度和应力参数进行测量袁也可制成一个光纤光栅传感器对温度和应力参数进行同时测量遥实现应变和温度参数同时测量的方案很多袁但是从原理上分析袁基本都是基于双波长矩阵法尧双参量矩阵法尧温度参考光栅法尧温3.1光纤光栅温度传感器
度渊应力冤补偿法和光强测温法等几种技术[2]遥
光纤光栅温度传感器用来测量温度在渊-30益耀垣150益冤范围内的发热物体袁可适用于各种测温场合袁分辨率可以达到0.1益袁见图3曰可应用于船舶尧电力尧核电站尧水利尧航空航天尧煤矿尧医学尧消防等领域遥具有本征安全尧抗电磁干扰尧精度高尧分辨率高尧可靠性高等优点遥
图3光纤光栅温度传感器3.2光纤光栅应变传感器
该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距袁适合大应变的较大范围监测袁可埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内袁如基础尧桩尧桥梁尧隧道尧衬砌等以便长期观测结构内部的应变量变
Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.AppliedTechnology应用技术化袁也可用于病害工程凿孔渊槽冤埋入混凝土中观测病害的发展情况袁见图4遥该传感器的主要性能指标院量程根据需要可大于5000滋着曰测试精度渊2耀3冤滋着曰重复性误差小于0.6豫曰线性度误差小于0.9豫遥
图6光纤光栅渗压计图4光纤光栅应变传感器3.3光纤光栅钢筋计
光纤光栅钢筋计可测量基础尧泥浆墙尧预制桩尧船坞尧闸门尧隧道衬砌等内部应力袁可长期埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内袁测量结构内部的钢筋应力袁也可测量锚杆的应力袁见图5遥具有精度高尧测试准确尧性能稳定尧布设方便尧串联成网尧便于长期监测等优点遥最大拉应力院200MPa曰最大压应力院100MPa曰分辨率院臆0.1%曰精度约1豫曰使用温度范围院
渊-30益耀+70益冤遥
图7光纤光栅加速度计成各种各样结构袁来适合不同的用途遥例如院光纤光栅智能地秤尧光纤光栅智能锚头尧光纤光栅智能拉索等遥4
光纤光栅的应用
光纤光栅传感具有传输距离远袁不受电磁环境干扰袁不产生电磁干扰袁本质安全袁不对易燃气体构成危险的特点袁从而可在多领域中进行应用遥一是在大型工程建设中袁实现安全性能监测遥如在桥梁中预埋光纤光栅传感器可实现温度尧应力尧形变等多参数监测遥也可用于隧道顶板的岩石变形尧压力变化尧相对位移尧层间压力的测量遥二是可应用于地质活动监测遥在地震与火山活动研究中可使用光纤光栅传感器测量岩石变形和震动袁由于光纤光栅的无源特性袁同时由于其传输距离远袁较其他方
图5光纤光栅钢筋计法相比更有优势遥三是在海陆空大型交通装置上进行温度尧应力尧振动及水位尧油位的监测袁保障设备安全袁由于其测量过程中无电磁特点袁既不会对其他系统构成干扰袁也不会产生电磁泄露暴露目标袁可应用于飞机尧舰艇尧火车尧大型货车和大型客车中遥四是在医疗领域中应用超小型光纤光栅传感器测量腹腔袁关节袁颅内的应力为医生诊断提供信息遥同时由于光纤的非电磁特性袁可与CT尧核磁等检测手段同时进行[3]遥
虽然光纤光栅传感技术有很好的应用前景袁但
3.4光纤光栅渗压计
光纤光栅渗压计可埋设在水工建筑物尧基岩内袁或安装在测压管尧钻孔尧堤坝尧管道和压力容器内袁测量孔隙水压力或水位袁见图6遥压力范围院1耀15MPa曰分辨率院臆0.05%曰精度院约1豫曰使用温度范围院-30益耀垣80益遥3.5光纤光栅加速度计
光纤光栅加速度计用于铁道桥高层建筑尧钢结构等土木结构的振动检测/监测袁见图7遥量程院1耀2g曰分辨率院臆0.1%曰精度院约1豫曰使用温度范围院-30益耀+70益遥
另外袁光纤光栅压力传感器可根据需要袁制作
要想实现其产业化袁还需要解决若干问题遥一是应用成本袁光纤光栅传感技术的应用成本主要取决于传感信号解调成本遥有限的几种实用渊下转第94页冤科技创新与生产力2012年12月总第227期园怨员Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.应用技术AppliedTechnology机调速性能与负载性质匹配袁避免电机过载曰运用高频段电压补偿算法袁提高电动机输出转矩袁解决面团流变过程中负载非线性问题曰通过计算机技术和现代检测技术检测面团搅拌过程中导电率的变化袁判断面团搅拌质量袁智能控制面团搅拌完成时间袁减少不必要的电能损耗袁实现面粉搅拌机的高效节能遥
该项目的研究开发工作具有创新性袁较好地弥补了目前面粉搅拌机和其他黏性物质搅拌机技术性能的不足袁为整个搅拌机械行业带来更大的应用前景和发展动力袁加快整个搅拌机械行业的现代化进程遥
4新型变频面粉搅拌机的推动作用
该项目技术主要研究黏性物质的搅拌加工技
术遥黏性物质搅拌加工过程中负载特性表现为非线性袁其输出功率与转速密切相关袁常会出现搅拌电机过载情况袁造成能量消耗大袁甚至电机烧毁遥
该项目开发出适应高粘度负载特性的智能变频调速器袁带动食品加工及食品生产机械从简单尧低附加值向多功能尧高附加值发展袁实现产品食品加工及生产机械性能的全面升级遥通过采用智能变频技术袁既提高产品的使用性能又实现了节能遥
该项目技术除了用于食品加工和生产方面袁还广泛应用于石油化工尧制药尧路桥尧建筑等相关产业袁为整个搅拌机械行业在高效节能等方面的技术创新提供借鉴袁为整个搅拌机械行业带来更大的应用前景和发展动力袁加快整个搅拌机械行业的现代化进程遥
渊实习编辑高远冤ResearchonNecessityofDevelopingEnergy-efficientFlourBlenderChenDou
Abstract:Aimingatexistingfaultsinapplicationofflourblenders,theauthorresearchedthefaultsfrom5aspectsofsignifi-canceofdevelopingenergy-efficientflourblenderandkeydeviceintelligentfrequencyconverters,advanceandinnovationoftechnology,importanceofthetechnologyinthisfield,relatedfieldsoftechnologyandpromotionofthetechnologyprogress.Throughusingintelligentfrequenttechnology,theauthornotonlyimprovedusabilityoftheproducts,butalsorealizedenergysaving.Keywords:flourblender;intelligentfrequencyconverters;necessity渊上接第91页冤渊HunanVocationalCollegeofRailwayTechnology,Zhuzhou412000China冤解调手段其关键器件多数需要从国外进口袁成本较高遥二是还存在一些技术瓶颈需要突破袁如光源带宽了单个通道可部署的光栅传感器数量曰对双组分结构体测量多轴向的应变的测量曰多通道测量中的时间与精度的提高曰环境温度对应变尧应力测量造成的误差消除等遥5结束语
光纤光栅传感技术的优势正被工业界逐步重视袁随着研究力量的投入袁其技术水平也日益成熟袁使其产业应用成为可能遥不过袁若干关键技术
还处在实验阶段袁尚不能大批量生产袁离实用化还存在距离遥
参考文献院[1]刘云启,刘志国,郭转运,等.光纤光栅传感器的调谐滤波检测技术[J].光学学报,2001,21(1):88-92.[2]秦子雄,曾庆科,冯德军,等.光网络中光纤光栅构成的波长分插复用器理论及进展[J].物理学进展,2000,20(2):182-197.[3]余有龙,刘志国,董孝义,等.基于悬臂梁的光纤光栅线性调谐[J].光学学报,1999,19(5):621-625.渊责任编辑王雯冤ResearchandApplicationofTechnologyofFiberGratingSensingHanHong-yuan袁ZhuXiang-yu袁WangJian-nong
渊TaiyuanElectronicResearchInstitute,Taiyuan030002China冤Abstract:Basedonbasicprincipleoffibergrating,theauthorsexpoundedassociationfeaturesandstructure,mainfeaturesandtechnicalparametersoffibergratingsensoroffiberBraggGratingandlongperiodfibergratingintemperatureandstrain.Finally,theauthorsintroducedspecificapplicationofcommonfibergratingsensorsineveryfield.Keywords:BraggGrating;longperiodfibergrating;sensor园怨源SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY晕燥援12Dec.圆园12袁栽燥贼葬造晕燥援227Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.