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FBG光學(xué)傳感器
來(lái)源: 日期:2013-12-8 11:33:23 人氣:標(biāo)簽:
在過(guò)去的二十年中,光電子學(xué)的發(fā)展以及光纖通信行業(yè)中大量的革新極大地降低了光學(xué)器件的價(jià)格,提高了質(zhì)量。通過(guò)調(diào)整光學(xué)器件行業(yè)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模,光纖傳感器和光纖儀器已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究階段擴(kuò)展到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合,比如建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用等。
光纖傳感器簡(jiǎn)介
從基本原理來(lái)看,光纖傳感器會(huì)根據(jù)所測(cè)試的外部環(huán)境參數(shù)的變化來(lái)改變其傳播的光波的一個(gè)或幾個(gè)屬性,比如強(qiáng)度、相位、偏振狀態(tài)以及頻率等。非固有型 (混合型) 光纖傳感器僅僅將光纖作為光波在設(shè)備與傳感元件之間的傳輸介質(zhì),而固有型光纖傳感器則將光纖本身作為傳感元件使用。
光纖傳感技術(shù)的核心是光纖–一條纖細(xì)的玻璃線,光波能夠在其中心進(jìn)行傳播。光纖主要由三個(gè)部分組成:纖芯(core),包層(cladding)和保護(hù)層(buffer coating)。其中包層能夠?qū)⒗w芯發(fā)出的雜散光波反射回纖芯中,以保證光波在纖芯中具有 低的傳輸損耗。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)原理是纖芯的光折射率比包層的折射率高,這樣光波從纖芯傳播到包層的時(shí)候會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。 外面的保護(hù)層提供保護(hù)作用,避免外界環(huán)境或外力對(duì)光纖造成損壞。而且可以根據(jù)需要要強(qiáng)度和保護(hù)程序的不同,使用多層保護(hù)層。
圖1. 典型光纖的橫截面圖
光纖布拉格光柵(fbs)傳感器
光纖布拉格光柵傳感器是一種使用頻率 高,范圍 廣的光纖傳感器,這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來(lái)改變其反射的光波的波長(zhǎng)。光纖布拉格光柵是通過(guò)全息干涉法或者相位掩膜法來(lái)將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強(qiáng)周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會(huì)根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。
當(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時(shí)候,光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì)反射一種特定波長(zhǎng)的光波,這個(gè)波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng),如下面的方程 (1) 中所示。這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長(zhǎng)的光波,而其它波長(zhǎng)的光波都會(huì)被傳播。
在方程 (1)中,λb 是布拉格波長(zhǎng),n 是光纖纖芯的有效折射率,而 λ 是光柵之間的間隔長(zhǎng)度,稱為光柵周期。
圖2. 光纖布拉格光柵傳感器的工作原理
因?yàn)椴祭癫ㄩL(zhǎng)是光柵之間的間隔長(zhǎng)度的函數(shù)(方程 (1) 中的λ),所以光纖布拉格光柵可以被生產(chǎn)為具有不同的布拉格波長(zhǎng),這樣就能夠使用不同的光纖布拉格光柵來(lái)反射特定波長(zhǎng)的光波。
圖3. 光纖布拉格光柵透視圖
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