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光纤光栅

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅,是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点,并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感,因此在制作光纤激光器、光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。
光纤光栅主要的制作方法是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯,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栅,其作用实质上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,其余的波长透过光纤光栅继续传输。

光纤光栅基本信息

光纤光栅制作方法

光纤光栅制备

采用适当的光源和光纤增敏技术,可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化,如这种折射率变化呈现周期性分布,并被保存下来,就成为光纤光栅。 光纤中的折射率改变量与许多参数有关,如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理,直接用紫外光照射光纤,折射率增加仅为(10的负4次方)数量级便已经饱和,为了满足高速通信的需要,提高光纤光敏性日益重要,光纤增敏方法主要有以下几种:

1)掺入光敏性杂质,如:锗、锡、硼等。

2)多种掺杂(主要是B/Ge共接)。

3)高压低温氢气扩散处理。

4)剧火。

光纤光栅成栅光源

光纤的光致折射率变化的光敏性主要在244nm紫外光的错吸收峰附近,因此除驻波法用488nm可见光外,成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹,所以成栅光源的空间相干性特别重要。主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar 离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等。从大部分的实验结果来看,窄线宽准分子激光器是大批量制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和 244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量,可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。

光纤光栅成栅方法

光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法,成栅条件苛刻,成品率低,使用受到限制。主要的成栅有下列几种。

1)短周期光纤光栅的制作

a)内部写入法 内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到锗掺杂光纤中,经过光纤另一端面反射镜的反射,使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性,其折射率发生相应的周期变化,于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅,它起到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90%以上,反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使用的,由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行,要求锗含量很高,芯径很小,并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅,因此,这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用,很少被采用。用准分子激光干涉的方法,Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干,形成干涉图,利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由 ∧=λuv/(2sinθ)给出。可见,通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角,可以改变光栅常数,获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅,则对所用光源及周围环境有较高的要求。这种光栅制造方法采用多脉冲曝光技术,光栅性质可以精确控制,但是容易受机械震动或温度漂移的影响,并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅,这种方法使用不多。

b)光纤光栅的单脉冲写入 由于准分子激光具有很高的单脉冲能量,聚焦后每次脉冲可达J·cm-2,又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。英国南安普敦大学的 Archambanlt等人对此方法进行了研究,他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。由于光栅成栅时间短,因此环境因素对成栅的影响降到了最低限度。此外,此法可以在光纤技制过程中实现,接着进行涂覆,从而避免了光纤受到额外的损伤,保证了光栅的良好强度和完整性。这种成栅方法对光源的要求不高,特别适用于光纤光栅的低成本、大批量生产。

c)相位掩膜法 将用全息干涉法制作好的玻璃相位掩模板置于光纤前,然后以248nm的紫外光通过相位掩模板,依靠相位掩膜板具有的压制零级,增强一级衍射的功能。使得紫外光经过相位掩模板后后衍射到光纤上形成干涉条纹,写入周期为掩膜板周期一半的Bragg光栅。这种成栅方法不依赖于入射光波长,只与相位光栅的周期有关,因此,对光源的相干性要求不高,简化了光纤光栅的制造系统。这种方法的缺点是制作掩膜复杂,且价格高昂。并且无法制作紫外波段的光纤光栅。 用低相干光源和相位掩膜版来制作光纤光栅的这种方法非常重要,并且相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制,来制作特殊结构的光栅。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程,是2015年后国际上主流的用于制作光纤光栅的方法,也是截止至2019年唯一商用化的大批量光纤光栅制备方法。

d)飞秒逐点写入法 使用飞秒激光器作为光源,然后利用精密机械控制激光器运动位移,逐点写入光栅,通过控制激光器的移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性,对光栅可以任意进行设计制作。原则上,利用此方法可以制作出任意长度的光栅,也可以制作出极短的高反射率光纤光栅,但是写人光束必须聚焦到很密集的一点,由于现有技术条件限制,此方法只能刻写长度较短的光纤光栅,且很难刻写高反。所以此方法主要用于刻写一些需要在高温、高辐射等特殊条件下使用的传感光栅。

2)长周期光纤光栅的制作

a)金属掩膜法 金属掩膜法是制做长周期光纤光栅最常用的一种方法。实验中采用的光纤为光敏光纤,PC为偏振控制器,AM为金属振幅掩膜,使用CO2激光器照射数min后,可制成周期 60μm~1mm范围内变化的光栅,这种方法对激光器与掩模板的要求极低。

b)逐点写入法 此方法是利用精密机械控制光纤运动位移,每隔一个周期曝光一次,通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性,对光栅的耦合截面可以任意进行设计制作。原则上,利用此方法可以制作出任意长度的光栅,也可以制作出极短的高反射率光纤光栅,但是写人光束必须聚焦到很密集的一点,因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。由于各种精密移动平台的研制,这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多的被采用。

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光纤光栅造价信息

  • 市场价
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光纤

  • 终端盒
  • 特发
  • 13%
  • 深圳市特发信息股份有限公司
  • 2022-12-08
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光缆分纤箱

  • 品种:光缆分纤箱;规格:36芯;类别:通讯光纤入户系统;说明:分户型;
  • 富通
  • 13%
  • 铜陵长江科技有限责任公司
  • 2022-12-08
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光纤信息箱

  • 品种:光纤信息箱;型号:LPM-21N;
  • 联塑电气
  • 13%
  • 海南纵购建材商城有限公司
  • 2022-12-08
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光纤空箱

  • 品种:光纤空箱;外形尺寸(mm):350×240×100;型号:A6-2;系列:光纤入户信息箱;安装形式:暗装;产品说明:箱体厚1.0,哑光
  • AX安信
  • 13%
  • 广东顺德睿敏电气有限公司
  • 2022-12-08
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光纤标配箱

  • 品种:光纤标配箱;外形尺寸(mm):350×240×100;型号:A6-2/B;系列:光纤入户信息箱;安装形式:暗装;产品说明:箱体1.0
  • AX安信
  • 13%
  • 广东顺德睿敏电气有限公司
  • 2022-12-08
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光纤

  • GX-100
  • 湛江市2005年2月信息价
  • 建筑工程
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光纤

  • GX-100
  • 湛江市2005年1月信息价
  • 建筑工程
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光纤插头

  • 韶关市2010年6月信息价
  • 建筑工程
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光纤尾纤

  • OR-60800021 6-ST 3m
  • 湛江市2007年3季度信息价
  • 建筑工程
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光纤尾纤

  • OR-60800048 6-SC 3m
  • 湛江市2007年3季度信息价
  • 建筑工程
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光纤光栅智能器

  • 光纤光栅传感器量程不小于10000με
  • 40套
  • 3
  • 中档
  • 含税费 | 含运费
  • 2022-07-11
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光纤光栅协议转换模块

  • 光纤光栅协议转换模块
  • 1套
  • 3
  • 中高档
  • 不含税费 | 含运费
  • 2021-11-17
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光纤光栅感温火灾探测信号处理器

  • 光纤光栅感温火灾探测信号处理器
  • 1台
  • 1
  • 中档
  • 不含税费 | 不含运费
  • 2021-12-22
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光纤光栅探测器

  • 200m,间隔5m(含传输光纤)
  • 45个
  • 1
  • 高档
  • 不含税费 | 不含运费
  • 2016-12-02
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光纤光栅锚索计

  • (1)分辨精度小于等于0.1%F,S,(2)量程不小于100KN;(3)应具备温度自补偿功能,如需额外封装温度传感;计,则温度传感器算作安装耗材中计列;(4)工作温度范围包含-30-60区间;(5)具备串联安装功能.
  • 16套
  • 3
  • 中高档
  • 含税费 | 含运费
  • 2022-02-22
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光纤光栅简介

1993年hill等人提出了相位掩模技术,它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的±1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光,使纤芯折射率产生周期性变化,从而写入光栅。此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活,便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖,使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤,它还大大提高了光致折变量(由10^-5最大提高到了10^-20),这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化),在纤芯内形成空间相位光栅,其作用的实质是在纤芯内形成(利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性)一个窄带的(投射或反射)滤光器或反射镜。

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光纤光栅主要分类

随着光纤光栅应用范围的日益扩大,光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式,可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅,如均匀光纤Bragg光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅,如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。

均匀光纤光栅

均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射,反射带宽窄。在传感器领域,均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域,均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。

均匀长周期光纤光栅

均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级,它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域,长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域,长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器、增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。

切趾光纤光栅

对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅,其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰,一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器,这些侧峰的存在是一个不良的因素,它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模,人们提出了一种行之有效的办法一切趾所谓切趾,就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅,它反射谱中的边模明显降低。

相移光纤光栅

相移光纤光栅是由多段m(M>2)具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成.相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。

取样光纤光栅

取样光纤光栅也称超结构光纤光栅,它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状滤波器之外,取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是,取样光纤光栅构成的分插器件

可同时分或插多路信道间隔相同的信号。

啁啾光纤光栅

所谓啁啾光纤光栅,是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在啁啾光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以啁啾光纤光栅的特点是反射谱宽,在反射带宽内具有渐变的群时延,群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。所以,可以利用啁啾光纤光栅作为色散补偿器。

大啁啾光纤光栅

对于啁啾率大于0.5nm/cm的啁啾光纤光栅,称之为大啁啾光纤光栅。利用大啁啾光纤光栅进行色散补偿(脉冲展宽/压缩)是超快激光器领域的核心关键技术之一,已经成为大啁啾光纤光栅的重要应用方向。除此之外,大啁啾光纤光栅还可用于多波长光源的稳定合成、短光纤激光的整形、以及制作稳定连续波和可调锁模外腔半导体激光器。光纤光栅传感解调技术中,也需要用到具有特殊反射波形的大啁啾光纤光栅。

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光纤光栅常见问题

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光纤光栅发展前景

全光通信的研究还处于起步阶段,许多技术难点需要克服。虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点,但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。

光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一,利用它可组成多种新型光电子器件,由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。对光纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节,从波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色散补偿,到全光网络上下路、波长路由、光交换等,光纤光栅的应用将推动高速光通信的发展,将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。在光纤光栅研究成果转化方面国内外的差距还不算太大,中国应集中力量发展民族光电子产业,使光纤光栅研究成果尽早产业化,为国家经济服务。

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光纤光栅研制成功

1978年,加拿大通信研究中心的K.O.Hill及其合作者首次从掺锗光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氩离子激光器,通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。198 9年,第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。

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光纤光栅主要特点

光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性,而且光纤光栅制作工艺比较成熟,易于形成规模生产,成本低,因此它具有良好的实用性,其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。

1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅,经过三十多年来的发展,在制作光纤激光器、光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善,光纤光敏性逐渐提高;各种特种光栅相继问世,光纤光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多,使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

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光纤光栅应用范围

光纤光栅在光纤通信系统中的应用 光纤光栅作为一种新型光器件,主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。在光纤通信中实现许多特殊功能,应用广泛,可构成的有源和无源光纤器件分别是:

有源器件:光纤激光器(光栅窄带反射器用于DFB等结构,波长可调谐等);半导体激光器(光纤光栅作为反馈外腔及用于稳定980nm泵浦光源);EDFA光纤放大器(光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射);Ramam光纤放大器(布喇格光栅谐振腔);

无源器件:滤波器(窄带、宽带及带阻;反射式和透射式);WDM波分复用器(波导光栅阵列、光栅/滤波组合);OADM上下路分插复用器(光栅选路);色散补偿器(线性啁啾光纤光栅实现单通道补偿,抽样光纤光栅实现WDM系统中多通道补偿);波长变换器 OTDM延时器 OCDMA编码器 光纤光栅编码器。

光纤光栅传感器中

光纤光栅自问世以来,已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点,所以越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感,所以主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此,传感器灵敏度高,抗干扰能力强,对光源能量和稳定性要求低,适合作精密、精确测量。 光纤光栅传感器现已占以光纤为主的材料的44.2 %。光纤光栅传感器已被用于各个方面,例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、机场、船舶、地球技术、铁路、油或气库的监测。传感器的一个发展方向就是多点、分布式传感器,它们主要是利用WDM, TDM, SDM, CDMA的组合。

光纤光栅滤波器中

光纤滤波器是光纤通信中的一个重要的无源器件,光纤光栅的出现真正实现了全光纤型滤波器。光纤光栅滤波器成本低、与光纤兼容、易于集成等优点是光纤通信系统中理想的器件。随着光纤光栅制作技术的成熟和各种波长调节手段的丰富,可以实现从1520~1560nm全波段单通道和多通道的宽带、高反射率的带阻滤波器和窄带、低损耗的带通滤波器,另外应用于增益平坦的光纤光栅滤波器得到了人们的广泛的关注.除此之外光纤光栅还用于sdh系统的色散补偿以及wdm系统的分插复用。

光纤光栅色散补偿

对于普通单模G.652光纤,在1550nm处色散值为正,光脉冲在其中传输时,短波长的光(“兰光”)较长波长的光(“红光”)传播得快.这样经过一定距离得传输后,脉冲就被展宽了,形成光纤材料的色散.若使光栅周期大的一端在前,使长波长的光在光栅前端反射,而短波长的光在光栅末端反射,因此短波长的光比长波长的光多走了2L距离(L为光栅长度),这样便在长、短波长光之间产生了时延差,从而形成了光栅的色散。 当光脉冲通过光栅后,短波长的光的时延比长波长的光的时延长,正好起到了色散均衡作用,从而实现了色散补偿。

光纤光栅光纤激光器中

光纤激光器由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成,增益光纤为产生光子的增益介质;抽运光的作用是作为外部能量使增益介质达到粒子数反转,也就是泵浦源;光学谐振腔由两个反射镜组成,作用是使光子得到反馈并在工作介质中得到放大,在光纤激光器中,构成反射镜的谐振腔一般由一对光纤光栅组成(一只高反光栅,一只低反光栅,中心波长匹配)。泵浦源的抽运光进入增益光纤后被吸收,进而使增益介质中能级粒子数发生反转,当谐振腔内的增益高于损耗时在2只光纤光栅之间便会形成激光振荡,产生激光信号输出。

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光纤光栅文献

光纤传感、光纤光栅、光纤光栅传感 光纤传感、光纤光栅、光纤光栅传感

光纤传感、光纤光栅、光纤光栅传感

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光纤传感、光纤光栅、光纤光栅传感 光纤传感技术 由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质,而且光波在光纤 中的传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素 (如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化,从 而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量), 这就是光纤传感器的基本原理。 光纤传感技术的分类 光纤传感器可以分为传 感型(本征型)和传光型(非本征型)两大类。利用外界因素改变光纤中光的 特征参量,从而对外界因素进行计量和数据传输的,称为传感型光纤传感器, 它具有传感合一的特点,信息的获取和传输都在光纤之中。传光型光纤传感器 是指利用其它敏感元件测得的特征量,由光纤进行数据传输,它的特点是充分 利用现有的传感器,便于推广应用。这两类光纤传感器都可再分成光强调制、 相位调制、偏振态调制和波长调制等几种形式。 光纤传感器的特点 1、

光纤光栅应用 光纤光栅应用

光纤光栅应用

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摘要 地下工程施工对周围环境包括地面临近建筑物、 道路、和既有地 下工程的影响是地下空间开开发利用所面临的关键问题。 为确保施工 安全,对地下工程的安全和稳定状态进行监测、 评估和预测以趋利避 害,已成为地下工程发展的迫切要求。 地下工程监测目前广泛采用的 常规监测技术和传统电传感器采集数据的方法不仅监测范围小、 效率 低,且 有限的测点难以反映目标系统的整体情况;同时,监测数据 容易受到外界环境中各类不利 因素的影响,无法保证数据的准确性 与长期稳定光纤 Bragg 光栅 (FBG)是 20世纪 90 年代发展起来的一种 新型全光纤无源器件利用其可制成多种传感器, 如温度、应变、应力、 压强等传感器。 近年来 ,FBG 传感技术 以其独特优势逐渐应用于结 构、岩土等领域,但多为长期健康监测,其在施工过程的应用罕见。 本文通过室内试验分 FBG传感器的优势 ,并通过实际隧道工程施工的 应

光纤光栅调制解调仪技术指标

光纤光栅调制解调仪。

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光纤光栅传感器分类

这些传感器主要包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器等。

光纤光栅传感器应变

此种传感器是在工程领域中应用最广泛,技术最成熟的光纤传感器。应变直接影响光纤光栅的波长漂移,在工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的情况下,人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱,在恶劣工作环境中非常容易破坏,因而需要对其进行封装后才能使用。目前常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。

光纤光栅传感器温度

温度是国际单位制给出的基本物理量之一,是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数,同时也是与人们日常生活密切相关的一个重要物理量。目前,比较常用的电类温度传感器主要是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。光纤温度传感与传统的传感器相比有很多优点,如灵敏度高,体积小,耐腐蚀,抗电磁辐射,光路可弯曲,便于遥测等。基于光纤光栅技术的温度传感器,采用波长编码技术,消除了光源功率波动及系统损耗的影响,适用于长期监测;而且多个光纤光栅组成的温度传感系统,采用一根光缆,可实现准分布式测量。

温度也是直接影响光纤光栅波长变化的因素,人们常常直接将裸光纤光栅作为温度传感器直接应用。同光纤光栅应变传感器一样,光纤光栅温度传感器也需要进行封装,封装技术的主要作用是保护和增敏,人们希望光纤光栅能够具有较强的机械强度和较长的寿命,与此同时,还希望能在光纤传感中通过适当的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度。普通的光纤光栅其温度灵敏度只有0.010 nm/℃左右,这样对于工作波长在1550nm的光纤光栅来说,测量100℃的温度范围波长变化仅为lnm。应用分辨率为lpm的解码仪进行解调可获得很高的温度分辨率,而如果因为设备的限制,采用分辨率为0. 06nm的光谱分析仪进行测量,其分辨率仅为6度,远远不能满足实际测量的需要。目前常用的封装方式有基片式、管式和聚合物封装方式等。

光纤光栅传感器位移

研究人员开展了应用光纤光栅进行位移测量的研究,目前这些研究都是通过测量悬臂梁表面的应变,然后通过计算求得悬臂梁垂直变形,即悬臂梁端部垂直位移。这种“位移传感器”不是真正意思上的位移传感器,目前这种传感器在实际工程已取得了应用,国内亦具有商品化产品。

光纤光栅传感器加速度计

1996年,美国的Berkoff等人利用光纤光栅的压力效应设计了光纤光栅振动加速度计。转换器由质量板、基板和复合材料组成,质量板和基板都是6mm厚的铝板,基板作为刚性板起支撑作用,中间为8mm厚的复合材料夹在两铝板中间起弹簧的作用。在质量块的惯性力作用下,埋在复合材料中的光纤光栅受到横向力作用产生应变,从而导致光纤光栅的布拉格波长变化。采用非平衡M-Z干涉仪对光纤光栅的应变与加速度间的关系进行解调.1998年,Todd采用双挠性梁作为转换器设计了光栅加速度计。加速度传感器由两个矩形梁和一个质量块组成,质量块通过点接触焊接在两平行梁中间,光纤光栅贴在第二个矩形梁的下表面。在传感器受到振动时,在惯性力的作用下,质量块带动两个矩形梁振动使其产生应变,传递给光纤光栅引起波长移动。这种传感器也在国内已经有了商品化的产品。

光纤光栅传感器压力

对拉力或压力的监测也是监测的一部分重要内容,如桥梁结构的拉索的整体索力、高纬度海洋平台的冰压力,以及道路的土壤压力,水压力等。哈工大欧进萍等人相继开发出了光纤光栅拉索压力环和光纤光栅冰压力传感器,英国海军研究中心开发了光纤光栅土壤压力传感器,用以监测公路内部的荷载情况。并且各国相继开始光纤光栅油气井压力传感器的研究工作。

除以上介绍的光纤光栅传感器外,光纤光栅研究人员和传感器设计人员基于光纤光栅的传感原理,还设计出光纤光栅伸长计,光纤光栅曲率计,光纤光栅湿度计,以及光纤光栅倾角仪,光纤光栅连通管等。此外,人们还通过光纤光栅应变传感器制成用于测量公路运输情况的运输计、用于测量公路施工过程中沥青应变的应变计等。

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光纤光栅传感器简介

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感,即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动,使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此,解决交叉敏感问题,实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器,通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数,利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类,即多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。

多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅(long period grating)法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG/LPG法解调简单,但很难保证测量的是同一点,精度为9×10-6,1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置,提高了测量精度,但光栅强度低,信号解调困难。光纤光栅/F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高,精度可达20×10-6,1℃,但F-P的腔长调节困难,信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高,但是,光栅写入困难,信号解调也比较复杂。

单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度,克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单,但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处,利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单,且解调为波长编码避免了应力集中,但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变,在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后,未粘贴部分的光纤光栅形变恢复,其中心反射波长不变;而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复,从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变,因此,这个光纤光栅有2个反射峰,一个反射峰(粘贴在悬臂梁上的部分)对应变和温度都敏感;另一个反射峰(未粘贴部分)只对温度敏感,通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。

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