光纤机械量传感器重点课件.ppt

1、 光纤机械量传感器可分为传光型光纤机械量传感器可分为传光型(非功能型非功能型)和传感型和传感型(功能型功能型)两类。两类。其调制方式可以是光强调制、相位调制、偏其调制方式可以是光强调制、相位调制、偏振调制以及频率调制等。振调制以及频率调制等。传光型强度调制光纤传感器使用的调制技传光型强度调制光纤传感器使用的调制技术分外调制和内调制。术分外调制和内调制。外调制技术由外加敏感元件控制光源传输外调制技术由外加敏感元件控制光源传输到探测器的光量。外加敏感元件可以是透到探测器的光量。外加敏感元件可以是透射式的拆射率式的和反射式的。射式的拆射率式的和反射式的。透射式敏感透射式敏感元件对传输光元件对传输光的

2、影响，实际的影响，实际上是一种对被上是一种对被测物理量的模测物理量的模拟及开关测量。拟及开关测量。反射式光纤敏感元件通常是反射式光纤敏感元件通常是由入射光传输光纤和反射光由入射光传输光纤和反射光收集光纤制成一光纤束。收集光纤制成一光纤束。强度调制光纤传感器的内调制技术是指无需外强度调制光纤传感器的内调制技术是指无需外加敏感元件，而靠改变光纤自身的传输特性来加敏感元件，而靠改变光纤自身的传输特性来实现传输光强度调制。实现传输光强度调制。其中最典型的是利用微弯效应实现光强调制。当其中最典型的是利用微弯效应实现光强调制。当光纤存在微弯曲时，光纤芯中的传导模就会逸光纤存在微弯曲时，光纤芯中的传导模就会

3、逸出到包层成为包层模，从而使传输光能量衰减。出到包层成为包层模，从而使传输光能量衰减。如果光纤的微弯曲是由外施力或压力产生的，如果光纤的微弯曲是由外施力或压力产生的，接收光强变化就与生成光纤形变的物理量有关。接收光强变化就与生成光纤形变的物理量有关。6.2 光纤位移传感器光纤位移传感器 光纤位移传感器可分为外调制式和内调光纤位移传感器可分为外调制式和内调制式两类。制式两类。6.2.1 外调制式位移传感器外调制式位移传感器 透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤，透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤，并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根光纤输

4、出，通过两根光纤间微小空隙，进入另一光纤输出，通过两根光纤间微小空隙，进入另一根光纤。根光纤。6.2.2 内调制式位移传感器内调制式位移传感器 利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式锅台，纤芯中的光部从而使光纤发生微弯变形，改变模式锅台，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移强度也

5、不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器位移传感器.理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期性微弯时，传播常数为生周期性微弯时，传播常数为 和和 的的模之间就会产生光功率的耦合。波纹板模之间就会产生光功率的耦合。波纹板周期的长度周期的长度 与传播常数间满足下式：与传播常数间满足下式：HeNe激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有被复层，数值孔径等于的一端。此光纤没有被复层，数值孔径等于0.22

6、.在在变形器前变形器前5cm长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包层模中的光。层模中的光。变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共有有5个波纹，每个波纹的长度为个波纹，每个波纹的长度为3M。变形器的一块波。变形器的一块波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态位移。位移。用体积为用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中的灌满甘油的检测器检测包层模中的光信号。该检测器的的光信号。

7、该检测器的6个内表面安装着个内表面安装着6个太个太阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表读数、而交流输出用锁相放大器检测并由记读数、而交流输出用锁相放大器检测并由记录仪记录放大器的输出。录仪记录放大器的输出。传感器的技术指标传感器的技术指标:1灵敏度灵敏度2线性度线性度3噪声噪声4信噪比信噪比 6.2.3 相位干涉式位移传感器相位干涉式位移传感器 Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。可以用于测量位移，其工作原理如图可以用于测量位移，其工作原理如图522 外施力可以直接产生传感臂光纤长度外施

8、力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径和直径d变化以及折变化以及折射率射率n变化。变化。为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一层特殊材料。传感臂上涂复材料具有层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏增敏”特性，而参考特性，而参考光纤涂复材料对传感量具有光纤涂复材料对传感量具有“去敏去敏”特性。这样可以有效提特性。这样可以有效提高检测信噪比。高检测信噪比。当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量，材料、铝导电膜和压电材料等

9、，则可以实现对其它物理量，如磁场、电流、电压等的检测。如磁场、电流、电压等的检测。6.3 光纤压力和水声传感器光纤压力和水声传感器 测量压力和水声，通常可以采用反射式测量压力和水声，通常可以采用反射式或微弯型光强调制光纤传感器，也可以或微弯型光强调制光纤传感器，也可以采用相位调制光纤传感器和偏振调制光采用相位调制光纤传感器和偏振调制光纤传感器。纤传感器。6.3.1 全内反射光纤压力传惑器全内反射光纤压力传惑器6.3.2 微弯曲光纤水声传感器微弯曲光纤水声传感器6.3.3 动态压力传感器动态压力传感器 这种压力传感器的灵敏度这种压力传感器的灵敏度极高，有很大的实用价极高，有很大的实用价值尤其适用

10、于微声压的测值尤其适用于微声压的测量，对测量空间尺寸受限场量，对测量空间尺寸受限场合应用更是优越。它的工作合应用更是优越。它的工作带宽从直流可到带宽从直流可到20 MHz.6.3.4 偏振调制光纤压力和水声传感器偏振调制光纤压力和水声传感器6.4 光纤应变传感器光纤应变传感器 采用脉冲传输时间法可以测量自由空间采用脉冲传输时间法可以测量自由空间光路的长度。这种方法通过测量光信号光路的长度。这种方法通过测量光信号到达靶体又反射回来所占用的时间来确到达靶体又反射回来所占用的时间来确定光经过的距离。定光经过的距离。用光纤做测量光路，传输时间法可适用用光纤做测量光路，传输时间法可适用于任意弯曲光路及其

11、变化的测量。于任意弯曲光路及其变化的测量。系统的振荡周系统的振荡周期为期为式中式中L是光纤长是光纤长度；度；Ng=c/Vg是是光纤群速度折射光纤群速度折射率；率；el是放大器、是放大器、鉴别器和导线产鉴别器和导线产生的电延迟时间，生的电延迟时间，如果忽略材料色散，即如果忽略材料色散，即NgN，由弹性光学理论可以求得由弹性光学理论可以求得式中式中Pij是平均应变光弹系数；是平均应变光弹系数；是材料的泊松比。是材料的泊松比。6.5 光纤表面粗糙度传感器光纤表面粗糙度传感器 用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它对光信导的传输特性。对光信导的传输特性。6.6 光纤加速度

12、传感器光纤加速度传感器 加速度有各种形式如直线加速度，曲加速度有各种形式如直线加速度，曲线加速度及振动加速度等。光纤加速度线加速度及振动加速度等。光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度。传感器最适合测量微小振动加速度。6.6.1 振动加速度传感器原理振动加速度传感器原理当低频振动时，当低频振动时，x与惯与惯性力成比例即与物体性力成比例即与物体的振动加速度成比例。的振动加速度成比例。当振动频率提高到振动当振动频率提高到振动子的固有振动频率时，子的固有振动频率时，产生共振。这时距离产生共振。这时距离x与与加速度不存在比例关系。加速度不存在比例关系。如果振动频率再进一步如果振动频率再进一步提高重物

13、就停止振动，提高重物就停止振动，呈现相对静止状态。只呈现相对静止状态。只有位移。有位移。6.6.2 相位调制光纤加速度传感器相位调制光纤加速度传感器让加速度计的外壳以加速度让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动，垂直向上运动，那么在加速该物体所需的作用力那么在加速该物体所需的作用力F的作用的作用下，上面的一段光纤伸长下，上面的一段光纤伸长L，下面的光，下面的光纤则缩短纤则缩短L。这一过程可表示为。这一过程可表示为式中式中A是光纤的横截面积。是光纤的横截面积。T是每根光纤中拉应是每根光纤中拉应力变化的幅度；系数力变化的幅度；系数2是由于存在两根伸长和缩短是由于存在两根伸长和缩短光纤。光纤。E是光

14、纤的杨氏模量是光纤的杨氏模量。光束通过光程光束通过光程L的相移可用下式表示的相移可用下式表示6.7 光纤振动传感器光纤振动传感器 光纤振动传感器常用于现场监测，测量光纤振动传感器常用于现场监测，测量的频率范围为的频率范围为20200Hz，测量的振幅为，测量的振幅为数微米到百分之几微米，数微米到百分之几微米，6.7.1 相位调制光纤振动传感器相位调制光纤振动传感器 光纤光栅传感器光纤光栅传感器(FBG)是利用是利用 Bragg波长波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。新型的光纤传感器。1、光纤布喇格光栅原理、光纤布喇格光栅原理光纤布喇格光栅的原

15、理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图 5.1 表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为：式中 F(r,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性：式中 a1 为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径，相应的 n1为纤芯初始折射率；n2为包层折射率；n(r,z）为光致折射率变化；nmax 为折射率最大变化量。因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n3一般指空气折射率。之所以式中出现r和坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。为了给出F(r,z）的一般形式，必须对引起这种折

16、射率变化的光波场进行详尽分析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿 Z 轴的渐变性、折射率调制在横截面上的非均匀分布等，它们分别可以采用对光栅传播常数 kg 修正与 Z 相关的渐变函数(z)，以及采用 n(r）代表折射率调制来描述。为了更全面地描述光致折射率的变化函数，可以直接采用傅里叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解。基于这些考虑，可以采用下列一般性函数来描述光致折射率变化：式中Fo(r,z）表示由于纤芯对紫外光的吸收作

17、用而造成的光纤横向截面曝光不均匀性，或其他因素造成的光栅轴向折射率调制不均匀性，并有Fo(r,z）max l,这些不均匀性将会影响到传输光波的偏振及色散特性；kg 2为光栅的传播常数；为光栅周期；q 为非正弦分布（如方波分布）时进行傅里叶展开得到的谐波阶数，它将导致高阶布喇格波长的反向耦合；aq为展开系数；(z)为表示周期非均匀性的渐变函数。正因为(z)的渐变性，我们可以将它看作一“准周期”函数。对包含有(z)的非正弦分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展开可以得到光栅区的实际折射率分布为 该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅特性的基础。2、光纤布喇

18、格光栅传感原理、光纤布喇格光栅传感原理 光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出：这里UV是紫外光源波长，是两相干光束之间的夹角。由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响。因此，如果宽带光小段光谱产生影响。因此，如果宽带光波在光栅中传播时，入射光能在相应的波在光栅中传播时，入射光能在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作用。这类调谐波长反射现象首先是由威用。这类调谐波长反射现象首先是由威廉廉布喇格爵士给出解释的，因而这种光布喇格爵士给出解释的，因而

19、这种光纤光栅被称为布喇格光纤光栅，其反射纤光栅被称为布喇格光纤光栅，其反射条件被称为布喇格条件。在条件被称为布喇格条件。在BraggBragg光栅中，光栅中，反射的中心波长由下式确定：反射的中心波长由下式确定：其中其中 n neffeff 是光纤芯区有效折射率。是光纤芯区有效折射率。是光纤是光纤光栅的栅距即周期。光栅的栅距即周期。只有满足布拉格条件的光只有满足布拉格条件的光波才能被布喇格光栅反射。对上式取微分可得：波才能被布喇格光栅反射。对上式取微分可得：从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光纤光栅的或者neff的改变，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。设

20、两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和和1，如果，如果满足布喇格相位满足布喇格相位匹配条件：匹配条件：221 其中其中为光栅周期，为光栅周期，则一个波的能量可以耦合到另一个则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。波中去。在反射型滤波器中，我们假设传播常数为在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从的光波从左向右传播，如果满足条件：左向右传播，如果满足条件：22)(000则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。的具有相同波长的反射光中去。设设0=2neff/0，其中，其中0为

21、输入光的波长，为输入光的波长，neff为波为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果导或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光波将发生反射，这个波长光波将发生反射，这个波长0就称作就称作布喇格波长布喇格波长。光纤光栅的栅距光纤光栅的栅距可通过改变写入光栅的可通过改变写入光栅的两相干紫外光束的相对角度得到调整，两相干紫外光束的相对角度得到调整，从而可以制作出不同反射波长的从而可以制作出不同反射波长的BraggBragg光光栅。栅。光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折应力或者应变发生变化时，

22、将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅射率发生变化，从而产生光栅 Bragg 信号的波长位移信号的波长位移，通过监测，通过监测 Bragg 波长位移情况，即可获得栅周围波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。的应力或者应变变化情况。由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：成光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：这里这里B是光栅布拉格反射波长，是光栅布拉格反射波长，B为在外界应力作用下为在外界应力作用下光栅布拉格反射波长移动量，光栅布拉格反射波长移动量，是光纤轴向应变，可表是光纤轴向应变，可

23、表示为：示为：在实际应用中，在实际应用中，是个很小的量，为此引入应变量是个很小的量，为此引入应变量的的10-6，作为光纤光栅度量单位。作为光纤光栅度量单位。FBG所具有的多传感器复用能力，使它所具有的多传感器复用能力，使它在准分布测量、多参数组合测量等方面在准分布测量、多参数组合测量等方面显现了非常诱人的前景，因而在复合材显现了非常诱人的前景，因而在复合材料固化监控、大型土建结构内部应变分料固化监控、大型土建结构内部应变分布及大型电力设备内部温度分布状态监布及大型电力设备内部温度分布状态监控等方面具有广泛的应用前景。控等方面具有广泛的应用前景。光连接器调制解调器显示仪表计算机 使用现场使用现场

24、控制室内控制室内传输光缆连接光缆FBG探头3、光纤布喇格光栅解调原理、光纤布喇格光栅解调原理光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹匹配光纤光栅解调法配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅检测信号的。匹配光纤光栅检测信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检测到的信号测到的信号选用一个与传感光纤光栅选用一个与传感光纤光栅 FBGFBG1 1 参数相近的光纤光栅参数相近的光纤光栅 FBGFBG2 2（匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反（

25、匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反射谱部分重叠，即设置合适的偏置传感光纤光栅射谱部分重叠，即设置合适的偏置传感光纤光栅的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射谱在一定范围内漂移，如左图所示；解调光栅的谱在一定范围内漂移，如左图所示；解调光栅的反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部

26、入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应的范围内的光波才可能被反射，而重叠分相对应的范围内的光波才可能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比部分的面积与反射谱的光强度成正比 当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光强是检测光纤光栅的光强是检测光纤光栅 FBG1和匹配光纤光栅和匹配光纤光栅FBG2两个光谱函数的卷积。随着两个光谱函数的卷积。随着 FBG1上的微上的微扰，在扰，在 FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定的反射谱中可检测到相对应的一定光强度

27、的光信号。光强度的光信号。F-PF-P腔波长滤波解调原理腔波长滤波解调原理法布里法布里珀罗腔珀罗腔(F-P(F-P腔腔)的光学原理是多光束干的光学原理是多光束干涉，在一定波长范围内，若以平行光入射到涉，在一定波长范围内，若以平行光入射到F-F-P P腔腔,则只有满足相干条件的某些特定波长产生则只有满足相干条件的某些特定波长产生相干极大，原理如图相干极大，原理如图1 1所示所示,由于由于光的入射产生光的入射产生了多个反射光束了多个反射光束1 1，2 2，3 3，.和多个透射光和多个透射光束，束，.，其透射光强其透射光强:2sin)1(41)(220RRII2sin)1(41)(220RRII其中

28、其中为为相邻两光束相位差相邻两光束相位差 当相位差=2k(k=1,2,3.)时，入射光完全透射，透射光最强。因此解调装置多采用调谐腔长的方法，在透射光强达到最大值时可求出入射波长。2 knh调制解调器工作原理简图调制解调器工作原理简图 光纤光栅分布传感技术是先进传感技术光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶段，它满足了现代结构监测发展的新阶段，它满足了现代结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求。技术要求。光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力强、集传感与传输于一体、抗干扰能力强、集传感与传输于一体、易于

29、制作和埋入等优点，而且光栅具有易于制作和埋入等优点，而且光栅具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、波长分离能力强、对环境干扰不敏感、传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定位的优点。量和精确定位的优点。特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测；同时能在光纤一端实现所有光栅信号的检测；同时能进一步集合成分布传感网络系统，可广泛应用进一步集合成分布传感网络系统，可广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及

30、于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及内部裂缝、变形等参数的实时在线、分布式检内部裂缝、变形等参数的实时在线、分布式检测。测。目前，应用光纤光栅传感器最多的领域目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大卡尔加里当数桥梁的安全监测。加拿大卡尔加里附近的附近的Beddington Trail 大桥是最早使用大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一（1993年），年），16个光纤光栅传感器贴在个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测，合材料筋上，对桥梁结构进行长

31、期监测，这在以前被认为是不可能的。这在以前被认为是不可能的。1999年夏，在美国新墨西哥年夏，在美国新墨西哥Las Cruces10号周济高速公路的一座钢结构号周济高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的记录。这座桥梁于传感器最多的记录。这座桥梁于1970年年建成，现在已经出现了许多疲劳裂纹。建成，现在已经出现了许多疲劳裂纹。这套光纤光栅传感系统不仅可以对标准这套光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数，而且可以测量车车辆进行探测和计数，而且可以测量车辆的速

32、度和重量，有了此系统，就能监辆的速度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了解桥梁对交通响应的长期变化。坏，了解桥梁对交通响应的长期变化。美国巴特勒县建造的全复合材料桥梁埋美国巴特勒县建造的全复合材料桥梁埋入了光纤光栅应变传感器，可有规律的入了光纤光栅应变传感器，可有规律的监视桥梁的荷载响应和长期性能。监视桥梁的荷载响应和长期性能。佛蒙特大学用光纤光栅传感器监测沃特佛蒙特大学用光纤光栅传感器监测沃特伯里佛蒙特钢构架大桥。俄勒冈哥伦比伯里佛蒙特钢构架大桥。俄勒冈哥伦比亚河谷的亚河谷的Horsetail fall桥也安装了桥也安装了28个

33、光个光纤光栅传感器来监视桥梁结构情况。纤光栅传感器来监视桥梁结构情况。德国德累斯顿附近的预应力混凝土桥、德国德累斯顿附近的预应力混凝土桥、比利时跟特环城运河预应力混凝土桥梁、比利时跟特环城运河预应力混凝土桥梁、瑞士洛桑附近的瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架桥、瑞箱形梁高架桥、瑞士温特图尔的士温特图尔的Storck桥、加拿大温尼伯桥、加拿大温尼伯湖附近的湖附近的Taylor桥都使用了光纤光栅传桥都使用了光纤光栅传感器进行监测。感器进行监测。武汉理工大学光纤中心作为国家唯一的武汉理工大学光纤中心作为国家唯一的光纤传感技术工业试验基地，依托在国光纤传感技术工业试验基地，依托在国内技术领先的优势和本校

34、在工程结构、内技术领先的优势和本校在工程结构、光电子学、信息科学、材料科学等领域光电子学、信息科学、材料科学等领域的多学科优势，以结构工程监测技术为的多学科优势，以结构工程监测技术为突破口，以工程应用为根本，从九十年突破口，以工程应用为根本，从九十年代初期在国内率先开展了研究，取得了代初期在国内率先开展了研究，取得了一系列的研究成果，成功地开发出多种一系列的研究成果，成功地开发出多种光纤传感监测系统。光纤传感监测系统。1.深圳市民中心大厦光纤光栅智能健康监测系统；深圳市民中心大厦光纤光栅智能健康监测系统；2.襄樊汉江四桥锚索光纤光栅应力监测系统；襄樊汉江四桥锚索光纤光栅应力监测系统；3.宝钢一

35、炼钢厂吊车行架光纤光栅应力分布测量系统；宝钢一炼钢厂吊车行架光纤光栅应力分布测量系统；4.巴东长江大桥双塔光纤光栅和应力施工监测系统长巴东长江大桥双塔光纤光栅和应力施工监测系统长 期智能健康监测系统；期智能健康监测系统；5.海口世纪大桥光纤光栅长期健康监测系统；海口世纪大桥光纤光栅长期健康监测系统；6.贵阳冷饭盒大桥光纤光栅预应力施工监控系统及长贵阳冷饭盒大桥光纤光栅预应力施工监控系统及长期智能健康系统。期智能健康系统。SYGE 光纤光栅解调实验仪光纤光栅解调实验仪 1 概述概述 SYGE 光纤光栅实验仪是用于光纤光栅解调实验的专用仪器。该实验仪外接不同的光栅传感探头就可以进行不同的光栅解调实

36、验，例如当它外接光栅测温探头时可以进行光栅温度实验，外接光栅应力探头时可进行光栅应力实验。2 工作原理工作原理本实验仪的结构框图如下所示，从宽带光源发出的光经祸合器传送到 FBG 传感器。FBG 传感器反射回的光经过耦合器引入到可调谐 FP 腔中。通过调节螺旋测距仪，使透过 FP 腔的光的波长发生改变。若 FP 腔的透射波长与 FBG 的反射波长重合，则探测器能探测到最大光强，根据此刻的螺旋测距仪的读数，通过查找“刻度一波长对照表”，就可得到被测光栅的中心波长。SYGSYGE E 光纤光栅实验仪结构框图光纤光栅实验仪结构框图 波长调节部分的核心为一个可调谐的法布里泊罗腔（FP 腔）。两个光纤的

37、端面和中间的空气可以构成一个 FP 腔，当一定波长范围的光平行入射到 FP 腔时，只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，产生相干极大。利用 F P 腔的这个特性可以对 FBG 传感器的反射波长进行检测。两光纤的端面间的距离可调时该 FP 腔构成一个可调谐的 FP 腔，反射波长可变。(1）操作步骤）操作步骤 1.将电源线接好，开启电源开关；2.接土用于温度或应力实验的光纤光栅接头，并且将探头放入被测介质中；3.从大到小调节波长旋钮，注意观察实验仪面板显示的数值；4.当出现了光强读数增加又减小的趋势时，表示出现一个最大值，精确调节至该最大值，记下此时的调节旋钮刻度；5.根据“刻度一波长对

38、照表”查出相应的波长值，得到外接光纤光栅的中心波长；6.撰写实验报告，绘制光强、刻度、波长关系曲线。(3）注意事项）注意事项 1 若外接的被测光栅由于外界因素（例如温度或者应力）的变化导致被测光栅的中心波长发生变化后，重新测量时会发现此时相应的刻度也会发生变化；2 顺时针调节旋钮，则向内推进；逆时针调节旋钮则向外推出。当向外调节到拧不动时表示已经到达最大范围，不可强拧。旋钮的最大可调范围为 lmm12mm，如果再继续强行旋转则会损坏内部元件；3 实验完毕之后要将旋钮置于刻度为 6mm 或之后，以延长仪器的使用寿命。4有时调节过程中会出现数个峰值，表示被测光栅有数个中心波长。如果在整个调节过程中

39、均没有出现峰值，则说明被测量光栅的中心波长不在该仪器的调节范围内，必须重新选择被测光栅；5 每台仪器相对应不同的“刻度一波长对照表”，必须注意对照表的编号是否与仪器的编号一致。实验中各参数之间的关系实验进行期间会遇到三个数值，实验中各参数之间的关系实验进行期间会遇到三个数值，这二个数值的关系如图所示。其中光强值（即面板显这二个数值的关系如图所示。其中光强值（即面板显示的读数）只起参考作用，当光强最大值出现时所对示的读数）只起参考作用，当光强最大值出现时所对应的螺旋测距仪的刻度才是实验中所关心的数值，而应的螺旋测距仪的刻度才是实验中所关心的数值，而光强值本身并不重要。通过查找光强值本身并不重要。

40、通过查找“刻度一波长对照表刻度一波长对照表”得到的与该刻度对应的波长值为实验最终要得到的值。得到的与该刻度对应的波长值为实验最终要得到的值。当被测光栅的中心波长相同时，出现光强最大值的位置当被测光栅的中心波长相同时，出现光强最大值的位置是相同的，即旋钮刻度也应是一致的。但由于光栅反是相同的，即旋钮刻度也应是一致的。但由于光栅反射光的强度并不相同，所以面板上的光强读数值有可射光的强度并不相同，所以面板上的光强读数值有可能并不相同。如图所示，被测光栅能并不相同。如图所示，被测光栅 A 和和 C 的中心波长的中心波长相同，但是其最大值的光强值并不致。相同，但是其最大值的光强值并不致。光纤光栅应变传感实验光纤光栅应变传感实验 实验用应变体可以采用悬臂梁结构，也可采用简支梁结实验用应变体可以采用悬臂梁结构，也可采用简支梁结构。悬臂梁一个矩形弹性形变体一端固定，另一端安构。悬臂梁一个矩形弹性形变体一端固定，另一端安装一个螺旋测微器，作为加载装置如下图所示：装一个螺旋测微器，作为加载装置如下图所示：简支梁一个矩形弹性形变体两端固定，中间安装简支梁一个矩形弹性形变体两端固定，中间安装一个螺旋测微器，作为加载装置。如下图所示：一个螺旋测微器，作为加载装置。如下图所示：