如何利用光纖光柵進(jìn)行傳感器等應(yīng)用設(shè)計(jì)？

光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導(dǎo)，光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為光柵。光柵會(huì)對入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光刺中心波長為布喇格波長。

光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導(dǎo)，光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為光柵。光柵會(huì)對入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光刺中心波長為布喇格波長。

光柵Bragg 條件: λB= 2nΛ

式中:λB ---Bragg 波長;

n ---光柵的有效折射率,即折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng);

Λ---光柵周期,即折射率調(diào)制的空間周期。

當(dāng)光波傳輸通過FBG時(shí),滿足Bragg 條件的光波將被反射回來,這樣入射光就分成透射光和反射光。FBG的反射波長或透射波長取決于反向耦合模的有效折射率n 和光柵周期Λ,任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移,測量此漂移量就可直接或間接地感知外界物理量的變化.

光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號(hào)解調(diào)等組成。

1、 光源

光源性能的好壞直接決定著整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。在光纖光柵傳感中要求光源必須有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性, 以滿足傳感系統(tǒng)中多點(diǎn)多參量測量的需要。目前在光纖光柵傳感系統(tǒng)中常用的光源主要有SLED, ASE光源。輸出功率大約為1-20mw.

2 、光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感, 即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵波長移動(dòng), 使得通過測量光纖光柵波長移動(dòng)無法對溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此, 解決交叉敏感問題, 實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測量是傳感器實(shí)用化的前提。目前在光纖光柵傳感系統(tǒng)中常用技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器來確定不同光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)確定溫度與應(yīng)變。

3 、信號(hào)解調(diào)

在光纖光柵傳感系統(tǒng)中, 光纖光柵信號(hào)的解調(diào)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括二部分：一部分為光信號(hào)處理, 完成光信號(hào)波長信息到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，其中傳感器的中心反射波長的分析是解調(diào)的關(guān)鍵; 另一部分為電信號(hào)處理, 完成對電信號(hào)的運(yùn)算處理, 提取外界信息,并以人們熟悉的方式顯示出來。

由此可知，光纖光柵安全監(jiān)測系統(tǒng)采用的是數(shù)字式測量技術(shù)，與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，具有更高的穩(wěn)定性和安全性。

舉例：光纖光柵傳感器在大壩和路基監(jiān)測中的應(yīng)用

大壩壩體的變形、混凝土面板(包括周邊縫)的變形、蓄水后大壩滲漏量的變化和路基受力變形等是大壩和路基工程安全運(yùn)行重點(diǎn)關(guān)注的問題。只有對工程進(jìn)行全面監(jiān)測，才能掌握工程的運(yùn)行性態(tài)，了解大壩和路基的安全狀況。

應(yīng)用優(yōu)勢：可實(shí)現(xiàn)分布式測量，連續(xù)得到沿著探測光纜數(shù)公里的測量信息。捕捉到的滲漏、脫空信息量大，可以完整地監(jiān)測大壩和路基全部范圍內(nèi)滲漏、脫空信息，為大壩和路基安全監(jiān)測人員提供科學(xué)的數(shù)據(jù)?？蓪B漏點(diǎn)、脫空點(diǎn)進(jìn)行精確的定位，特別適合用于不可預(yù)知的滲漏點(diǎn)、脫空點(diǎn)的監(jiān)測。采用專用的高強(qiáng)度光纜，完全可以承受大壩施工時(shí)對測量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。光纜有阻水紗和阻水層，即使光纜長期處于水中也不影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

監(jiān)測內(nèi)容主要包括：

變形監(jiān)測：面板堆石壩的變形監(jiān)測包括面板、堆石體和壩基3部分的變形監(jiān)測。 水平、垂直位移監(jiān)測、大壩基礎(chǔ)變形監(jiān)測、表面變形監(jiān)測、內(nèi)部變形監(jiān)測、混凝土面板撓度監(jiān)測、面板與墊層間脫空監(jiān)測、面板周邊縫監(jiān)測、面板與防浪墻間縫面監(jiān)測、板間縫監(jiān)測。

滲流監(jiān)測：滲流監(jiān)測包括壩基滲透壓力、壩體及壩基滲漏量、滲漏部位和繞壩滲流的監(jiān)測。大壩滲漏、脫空經(jīng)常發(fā)生在面板豎向伸縮縫、周邊縫、送漿處理后的基巖裂隙以及混凝土面板裂縫，特別是周邊縫，因周邊縫受力復(fù)雜，變形較大，且為張性縫，極易造成防滲結(jié)構(gòu)損壞，形成脫空、滲漏通道。

面板應(yīng)力和溫度監(jiān)測：通過埋設(shè)的光纖應(yīng)變計(jì)、弦式應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、溫度計(jì)等，觀測面板的應(yīng)力應(yīng)變和溫度。主要包括混凝土應(yīng)力監(jiān)測、鋼筋應(yīng)力、面板混凝土溫度。