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光栅传感器的种类与特点
云汉芯城 | 2019-12-13 11:52:22    阅读:33   发布文章

光纤光栅的种类很多,主要分两大类:一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅),二是透射光栅(也称为长周期光栅)。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构,从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅:其中,色散补偿型光栅是非周期光栅,又称为啁啾光栅(chirp光栅)。目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。

  在光纤传感器领域,光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125um)、重量轻、耐温性好(工作温度上限可达400℃~600℃)、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几公里)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点,早在1988年就成功地应用在航空、航天领域中作为有效的无损检测当中。

  同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域,以及在土木工程领域中(如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等)的混凝土组件和结构中测定结构的完整性和内部应变状态,从而建立灵巧结构,并进一步实现智能建筑。

  光栅传感器的种类

  光栅主要分两大类:一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅);二是透射光栅(也称为长周期光栅)。

  光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构,从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅,色散补偿型光栅是非周期光栅,又称为啁啾光栅(Chirp光栅)。

  光纤Bragg光栅传感器

  光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成永久性空间的相位,光纤光栅的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。而在纤芯内形成的空间相位光栅,其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。

  当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射,其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输,利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

  啁啾光纤光栅

  与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同,在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外,还 会引起光谱的展宽。

  这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的,啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移,而温度的变化则由于折射率的温度依赖性(dn/dT),仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽,就可以同时测量应变和温度。

  长周期光纤光栅传感器

  长周期光纤光栅(LPG)的周期一般认为有数百微米, LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层:λi= (n0-niclad)?Λ 。式中,n0为纤芯的折射率,niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减,留下一串损耗带。

  一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围内有许多的共振,LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差,由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移,通过检测△λi,就可获得外界物理量变化的信息。 LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度,因而LPG适用于多参数传感器。

  光栅传感器的特点

  1、精度高。

  光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面,光栅式传感器属于精度最高的;

  2、大量程测量兼有高分辨力。

  感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点,但分辨力和精度都不如光栅式传感器;

  3、可实现动态测量,易于实现测量及数据处理的自动化;

  4、具有较强的抗干扰能力,对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格,但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强,油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。

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