光纖布拉格光柵的光學(xué)傳感技術(shù)
基于光纖布拉格光柵(FBG)的光學(xué)傳感技術(shù),利用“光”作為介質(zhì)取代“電”,使用標(biāo)準(zhǔn)光纖替代銅線,從而克服種種的挑戰(zhàn)。
光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器在某種程序上講就更加復(fù)雜了,因?yàn)闇囟群蛻?yīng)變會(huì)同時(shí)影響傳感器的反射波長(zhǎng)。為了正確地進(jìn)行的測(cè)量,在測(cè)試的時(shí)候,必須針對(duì)溫度對(duì)光纖布拉格光柵造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償,可以使用一個(gè)與FBG應(yīng)變傳感器有良好熱接觸的FBG溫度傳感器來(lái)完成。得到測(cè)試結(jié)果以后,只需要簡(jiǎn)單地從FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的波長(zhǎng)改變中減去由FBG溫度傳感器測(cè)得的波長(zhǎng)改變就可以從方程 (2) 中消去加號(hào)右邊的第二個(gè)表達(dá)式,這樣做就補(bǔ)償了應(yīng)變測(cè)試中溫度變化造成的影響了。 安裝光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器的過(guò)程和安裝傳統(tǒng)的電氣應(yīng)變傳感器的過(guò)程類似,而且FBG應(yīng)變傳感器有許多種不同的種類和安裝方法可供選擇,包含環(huán)氧樹(shù)脂型,可焊接型, 螺栓固定型和嵌入式型。 1.4探詢方法 由于光纖布拉格光柵可以被植入不同的特定反射波長(zhǎng),所以可以利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的波分復(fù)用 (WDM) 技術(shù)。這個(gè)特性使得可以在一條長(zhǎng)距離的獨(dú)立光纖上,以菊花鏈的形式連接多個(gè)不同的擁有特定布拉格波長(zhǎng)的傳感器。波分復(fù)用技術(shù)在可用的光學(xué)廣譜中為每一個(gè)FBG傳感器分配了一個(gè)特定的波長(zhǎng)范圍供其使用。由于光纖布拉格光柵固有的波長(zhǎng)特性,就算在傳輸過(guò)程中由于光纖介質(zhì)的彎曲和傳輸造成了光強(qiáng)的損耗和衰減,傳感器測(cè)得的結(jié)果也仍然能夠保持準(zhǔn)確。 每一個(gè)獨(dú)立的光纖布拉格光柵傳感器的工作波長(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)探詢器可探詢的總波長(zhǎng)范圍決定了在一條單獨(dú)的光纖上可以掛接的傳感器的數(shù)量。一般來(lái)說(shuō),因?yàn)閼?yīng)變改變?cè)斐傻牟ㄩL(zhǎng)改變會(huì)比溫度改變?cè)斐傻牟ㄩL(zhǎng)改變更加明顯,所以一般會(huì)為FBG應(yīng)變傳感器分配大概5納米的工作波長(zhǎng)范圍,而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長(zhǎng)范圍。又因?yàn)橥ǔ5牟ㄩL(zhǎng)探詢器能提供的測(cè)試范圍大概為60到80納米,所以一條光纖上掛接的傳感器數(shù)量一般可以從1個(gè)到80個(gè)不等 – 當(dāng)然,這要建立在各個(gè)傳感器反射波長(zhǎng)的區(qū)域在光譜范圍內(nèi)不會(huì)有重疊 (圖 4) 的基礎(chǔ)上的。因此,在選擇FBG傳感器的時(shí)候,需要仔細(xì)地選擇標(biāo)稱波長(zhǎng)以及工作波長(zhǎng)范圍來(lái)保證每一個(gè)傳感器都有其獨(dú)立的工作波長(zhǎng)區(qū)域。 圖4.同一條光纖上掛接的每一個(gè)FBG傳感器必須具有其獨(dú)立的工作波長(zhǎng)范圍 一般的FBG傳感器會(huì)擁有幾個(gè)納米的工作波長(zhǎng)范圍,所以光學(xué)探詢器必須能夠完成分辨率為幾個(gè)皮米甚至更小的測(cè)量 – 一個(gè)相當(dāng)小的量級(jí)。探詢FBG光柵傳感器可以有幾種方法。干涉計(jì)是通常運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,它可以提供相當(dāng)高分辨率的光譜分析。但是,這些儀器一般來(lái)說(shuō)非常昂貴,體積龐大并且不夠堅(jiān)固,所以在一些涉及各種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中,如風(fēng)機(jī)葉片,橋梁,水管以及大壩等環(huán)境的監(jiān)測(cè)中,這些儀器都不適用。 一種更加堅(jiān)固的方法是引入了電荷耦合器件 (charge-coupled device - CCD) 以及固定的分散性單元,一般是指波長(zhǎng)位置轉(zhuǎn)換。 |
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