基于光纤光栅的应变传感器研发毕业论文

 2020-04-08 02:04

摘 要

本文在研究光纤布拉格光栅(FBG)的基础上,研制了一种基于FBG的应变传感器。

应变是结构小变形的表征,是衡量结构安全性的重要指标。因此,设计并制作一种敏感应变传感器,对工程结构的健康应变测量有非凡的意义。

  1. 根据应变检测工程要求,利用光纤的特性制作了光纤光栅增敏传感器,并进行了理论和实验验证。主要研究内容和成果有:学习了解光纤光栅特性,主要特性为温度、应变均会改变光栅栅距,引起中心波长变化,表现出其具有交叉敏感特性。
  2. 依据温度引起的中心波长变化,适当的进行温度补偿。
  3. 根据前面进行的情况,阅读文献,设计增敏结构。

(4)根据实验数据,分析其是否符合理论,得出结论。

关键词:光纤光栅;应变;温度补偿;增敏

Abstract

This paper is based on the study of the characteristics of fiber Bragg grating, and a kind of sensitized strain sensor based on fiber Bragg grating is developed.

Strain is a structure characterization of small deformation, is an important safety index, and so designed and produced a sensitization strain sensor, the sensor for structural health monitoring is of great significance. Because of these reasons, fiber grating sensing technology is becoming a hot research field. Strain is a structure characterization of small deformation, is an important safety index, and so designed and produced a sensitization strain sensor, the sensor for structural health monitoring is of great significance.

Based on strain testing engineering requirements, the use of fiber Bragg grating sensing properties of FBG sensitization strain sensor was designed, and the sensor is theoretical arguments and physical experiments, the main research contents and research results are as follows:

(1) study and analyze the characteristics of fiber grating. The main characteristics are that temperature and strain will cause the wavelength change of fiber grating, and fiber grating has the cross-sensitivity.

(2) the fiber grating strain sensor needs temperature compensation or special packaging treatment.

(3) design the sensitization structure and realize the optimal strain distribution, so as to realize the sensitization effect.

(4) test and verify the performance of the sensor, and get important conclusions

Key words:Fiber Bragg grating; Strain; Temperature compensation; Sensitization

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 国内外发展情况 1

1.2.1 原理、趋势 2

1.2.2光纤Bragg光栅传感器应用 4

1.3 文章主要研究内容 5

第二章 光纤Bragg光栅(FBG)传输理论 5

2.1 引言 5

2.2 光纤Bragg光栅基本传输理论 5

2.2.1 光纤基本结构与传输原理 5

2.2.2 光纤Bragg光栅结构与传输原理 6

2.3 光纤光栅的传感基础 7

2.3.1 光纤光栅应变传感器模型分析 8

2.3.2 光纤光栅温度传感模型分析 11

2.3.3 光纤光栅交叉敏感特性 11

2.4 光纤光栅解调技术和温度补偿 12

2.5 本章小结 13

第三章 粘贴式FBG增敏应变传感器 13

3.1 引言 13

3.2 粘贴式FBG增敏传感器工作原理 14

3.2.1 应变传感器结构设计 14

3.2.2 应变传感器感知特性 16

3.3 粘贴式FBG增敏传感器设计与制作 18

3.3.1 增敏应变片结构设计 18

3.3.2 增敏应变传感器精度调节 19

3.3.3 增敏应变传感器模拟仿真 20

3.4 实物制作与性能试验 21

3.4.1 实物制作 21

3.4.2 性能测试准备 22

3.4.3 性能测试过程与结果 22

3.5 本章小结 23

第四章 实验结果分析及误差分析 24

4.1 引言 24

4.2 实验结果分析 24

4.2.1实验数据曲线拟合及线性度 24

4.2.2 实际应变值 26

4.3 误差分析 27

4.4 本章小结 28

结论 28

参考文献 29

致谢 30

绪论

课题背景与意义

本次课题“基于光纤光栅的应变传感器研发”是学院里老师的一个研究范围。旨在深入研究光纤光栅具备的各种独特优势,实现这一类传感器的广泛应用。

目前,传感技术领域 ,光纤光栅传感技术成为热门研究方向[1]。它凭借独特优势迅速发展,目前在太空技术、航海运输、远距离电力传输、生命科学、机械振动检测甚至文物保护等方面都有应用,用来测量压力、应变温度、位移等物理量。

光纤布拉格光栅(FBG)传感技术具备方便、快速、准确、成本低等特点。它最独特优点在于能够形成准分布式传感器网络[2]。非常适用于大型工程监测,具有巨大市场应用价值。

应变可以表征一个结构的安全性能,工程化施工中,经常会把结构的应变量作为工程安全的评估标准。通过多方面比较,结合其所具优点,可以看出光纤光栅应变传感器相较传统传感器应用在应变检测方面更恰当。所以发展高分辨力光纤光栅应变传感器对工程进行实时、有效测量,是很有必要的[3]

国内外发展情况

光纤Bragg光栅(FBG)在上世纪80年代被K.O.Hill[4]创造出来后,1989年,其传感技术被W.W.Morey首次用来测量温度和应变[5],从此光纤光栅的传感技术进入新的领域。因为其具有很多独特优点,它被人们应用在多种物理量测量方面,成为新世纪以来发展非常迅猛的光纤无源器件。

关于光纤光栅研究领域,国际上,加拿大、美国、英国为代表的西方发达国家以及亚洲的日本和韩国利用其多年来在光通信领域积累的优势并投入巨额资金,目前,它们这方面的技术属于全球领头羊位置。主要研究机构包括:美国海军NRL、国家航空航天管理局LargerResearch实验室、BlueRoadResearch公司、英国城市大学、智能纤维公司等。加拿大和韩国国家光子研究中心等[6,7,8]

在本国,这方面的传感技术也有很多成果。在传感技术的理论发展中,清华大学、吉林大学、中科院半导体研究所、上海光机研究所等对其光敏特性、栅区形成方法等进行了深入研究。另外,在一些关键技术方面,哈尔滨理工大学、南开大学、武汉理工大学、西安石油大学等高校做出努力,取得一定成果。

1.2.1 原理、趋势

光纤光栅(FBG)是光纤核心中折射率(RI)的周期性调制[9]。由于这一RI调制,FBG在一个狭窄的波长范围内反射光。FBG反射的光的中心波长称为布拉格波长,它受RI调制周期和光纤核心的有效RI的控制。因此,布拉格波长对各种物理和化学量敏感,包括温度、应变、水分、位移、压力、化学成分等。

1.2.1.1 光纤布喇格光栅传感原理

由于FBG的栅区纤芯产生周期改变的轴向有效折射率,类似在栅区纤芯位置加上了窄带滤波器或者反射镜。如下图1-1(1-a、1-b、1-c、1-d)所示,一束宽光谱光照射光纤光栅只有一部分满足中心波长条件的光能发生反射,剩下的均将透过栅区且继续传播。

图1-1 光纤布喇格光栅原理图

中心波长满足

上式中,表示有效折射率,表示栅距。

其光栅距离沿光纤的轴向分布,所以当外界的一些条件发生改变时,会使得它的中心波长改变,同时网格空间发生改变,导致了反射光波长也改变。对于中心波长变化与外界环境改变表达式如下:

如上式所示,表示热膨胀系数,为热光系数,为弹光系数。所以当光纤光栅受到外界环境,T发生变化影响时,测量其中心波长变化量,计算可以得到当前外界环境和T的改变量。FBG制作的传感器主要检测的物理量有温度、应变以及应力[10]

1.2.1.2 长周期光纤光栅传感原理

不同于上一种类型,这种类型光纤光栅与其名字相符,其周期较长,大概可以从几十微米到几百微米。它的传感机理也不同于上一种类型的光栅,它检测的量是传输波长改变量。它的数学模型是三层阶跃耦合,非常复杂,最外层是以空气为保护层,内部是基波模耦合共方向包层模,这种结构使其具备了宽阻滤波器的特性。同时,这种光栅制成的传感器还有后向反射率低、带宽低的特性。所以它对于外界环境微应变和温度改变非常敏感,会响应产生纤芯内部横向应力。

1.2.1.3啁啾光纤光栅传感原理

这一类型的传感机理和第一种光栅相差不多。对于测量外界环境温度和结构的微应变,该类光栅制成的传感器非常优秀。这种光栅因为会对温度产生依赖性,同时传输反射信号受温度影响,对于应变检测机理则是因为应变改变了反射信号展宽,同时使得峰值波长位置改变。这种同时测量温度和应变的光栅得以发展,可以实现现在信息时代下,人们对于信息的传输要求,对促进各领域自动化进程起到了辅助作用。

从光纤光栅1978年在加拿大一个实验室中发明到现在,其发展历程已经经过了几十年的风雨,这种光纤光栅传感技术得以不断完善,最重要的是帮助了人类社会的发展,现在全球各地都有它的影子,可以说它的出现并发展,满足了人类社会的需求;随着社会需求的不断增加,光纤光栅传感技术也在不断发展,不断推陈出新;总的来说,目前人们对于光栅传感技术的发展方向大概有以下几点:1、用途广泛,在生活中使其成为常态化器具;2、应用在人类目前无法涉足的危险领域(如核辐射);3、组成一个网络化传感器,进行多方面检测;4、小型智能化,方便携带,实现产业化;5、积极探索与新材料组合形成新的传感系统。

1.2.2光纤Bragg光栅传感器应用

任何科学技术的向前发展离不开科研人员,但是需求才是主导其发展的主要原因。光纤光栅传感技术的发展也是建立在人类社会的需求上,人们正在将已经成熟的技术应用在各个领域是最终的目的。

下面是几种光纤光栅传感技术的发展应用:

  1. 为了测量结构的形状和变形,必须安装位移测量传感器。然而,有时由于操作条件,我们不能直接测量出结构的位移。比如飞机机翼偏转的测量、风车或直升机的叶片形状变化、线路镗孔机的刀具尖端位移等。在这些情况下,利用应变片或光纤传感器来测量结构的平面应变会更加的方便、准确。
  2. F—P结构传感器,其中FBG用于测量温度[11],而FFPI用于应变测量。该传感器具有制作简单、成本低、全光纤的特点,是实现材料嵌入的理想传感器。该传感器可同时实现温度和应变的测量。对光纤光栅的波长解码和FFPI的峰值跟踪分别进行解调,可以避免强度的波动。
  3. 利用单光纤光栅传感器对光纤光栅带宽调制的局部诱导双折射的研究,实现了同步应变和温度测量。证明了在复合材料层中嵌入的光纤光栅传感器的带宽对应变和温度变化都很敏感[12]。因此,将光谱带宽与布拉格波长相结合,可以区分温度和应变效应。

(4)时分多路复用是一种很有前途的方法,用于对光纤光栅传感器阵列进行应变和温度的测量[13]。在多路复用过程中短时间分辨率可以大大提高性能。

光纤光栅传感器的应用场所还有很多,在这里就不一一介绍。

文章主要研究内容

本文针对FBG传感技术及其特性进行研究,设计制作一种增敏型应变传感器。首先对理论传感基础进行分析,并且进行数字计算;然后在此基础之上设计增敏结构,对其进行模拟仿真;最后根据仿真结果和增敏设计进行实物制作,并对实物进行试验,验证其性能。利用实验时得到实验数据分析处理,进行误差分析,得出最终结论。

光纤Bragg光栅(FBG)传输理论

2.1 引言

本章从最初的光导纤维开始介绍,光纤一般用来传导光信号,通过其反射现象,减小信号在传输过程中的损耗,得以大量应用于通信领域;到了1978年,世界上第一根光纤Bragg光栅在加拿大一个实验室诞生,经过十余年对这种新型光纤的探索,在1989年,首次公开报道人们将光纤Bragg光栅应用在传感测量温度和应变;至此,人们对于光纤Bragg光栅的研究应用进入新篇章。

首先从光纤的结构开始讲起,通过对其结构深入分析,得出光纤的传输机理;然后类比光纤,剖析光纤Bragg光栅结构,引出它的传输原理;通过讨论温度和应变两种传感器模型理论,分析其交叉敏感特点;结合本文设计,对设计进行理论温度补偿。

本章系统分析了光纤光栅传感理论,讨论其特性,对本文设计起到有效辅助作用。

2.2 光纤Bragg光栅基本传输理论

2.2.1 光纤基本结构与传输原理

光纤在上世纪中叶出现,由英国一位博士在论文中首次提出,几年后,美国首先制作出来。光纤的出现,对于信息传输、通信领域有着重大意义。

光导纤维简称光纤,它通过包层内纤芯的全反射,将光导波能量保持在纤芯反射界面里,使光波朝着纤芯的轴向前进。简单来说,它是划时代的光导波材料。光纤经过多道工序拉伸成型,通常它所用的材料是单晶硅一类;经过拉制成型的光纤一般呈圆柱状态,由内而外具有四层结构,如下图2-1所示,分别为纤芯、包层、涂敷层,最外层为保护套[14];光纤中最重要的部分是纤芯以及包层,因为纤芯和包层折射率不等,对于束缚光波能量有决定性意义。外面的保护套和涂敷层既保护光纤又增强其结构强度,还隔开了其它光。

光纤传输机理得益于光在纤芯的全反射,这也是纤芯和包层折射率不等的原因,这样当入射光满足一定条件时,只发生全反射现象,光只能朝着纤芯轴向传输[15]。所以,根据这种原理,光纤将光波能量束缚在其界面内,使光波朝着纤芯轴向传播。

纤芯

包层

涂敷层

保护层

图2-1 光纤结构剖面示意图

2.2.2 光纤Bragg光栅结构与传输原理

就目前而言,光纤Bragg光栅相比其他种类的光栅,它在多个领域都有应用,属于发展最为迅猛的光栅。

这种光栅的栅距周期和它的有效折射率一般都是常数,它的波矢方向和光纤轴线相同。拥有高反射率以及窄反射谱,如果改变光栅部分的写入条件,那么就可以对其高反射率与窄反射谱进行有效调节。它具体的折射率分布与反射、透射特征如下图2-2,通过下图,可以看出,在光经过光栅的时候,满足中心波长关系的光波会发生反射,不满足的将透过光栅;从而将入射光分为两部分,一部分是透射光,另一部分是反射光,具体表现如下图b~d。

光纤Bragg光栅实质是通过外界能量以及特殊的写入工艺使裸光纤的折射率发生变化,其实就是使其栅距折射率呈周期分布。现在技术已经成熟的写入工艺有:相位掩模技术、振幅掩模技术、逐点写入技术和全息成栅技术、在线写入技术等[16]

图a) 光纤Bragg光栅结构图

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