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光柵式傳感器工作原理

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2018-12-18 09:00:00 來源:光電資訊

光纖光柵是利用光纖中的光敏性製成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時,光纖的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化的特性。而在纖芯內形成的空間相位光柵,其實質就是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可製造出許多性能獨特的光纖器件,它們都具有反射帶寬範圍大、附加損耗小、體積小,易與光纖耦合,可與其它光器件兼容成一體,不受環境塵埃影響等一系列優異性能。

光柵的Bragg波長lB由下式決定:

lB=2nL ⑴

式中,n—芯模有效折射率; L—光柵周期。

當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變或其它物理量發生變化時,光柵的周期或纖芯折射率將發生變化,從而使反射光的波長發生變化,通過測量物理量變化前後反射光波長的變化,就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導的左右旋極化波的折射率變化不同,可實現對磁場的直接測量。此外,通過特定的技術,還可實現對應力和溫度的分別測量和同時測量。通過在光柵上塗敷特定的功能材料(如壓電材料),對電場等物理量的間接測量也能實現。

1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理

上面介紹的光柵傳感器系統,光柵的幾何結構是均勻的,對單參數的定點測量很有效,但在需要同時測量應變和溫度或者測量應變或溫度沿光柵長度的分布時就顯得力不從心。此時,采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個不錯的選擇。

啁啾光纖光柵由於其優異的色散補償能力而應用在高比特遠程通信系統中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同,在外界物理量的作用下,啁啾光纖光柵除了DlB的變化外,光譜的展寬也會發生變化。這種傳感器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的。由於應變的影響,啁啾光纖光柵反射信號會拓寬,峰值波長也會發生位移,而溫度的變化則由於折射率的溫度依賴性(dn/dT),僅會影響重心的位置。因此通過同時測量光譜位移和展寬,就可以同時測量應變和溫度。

2、長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理

長周期光纖光柵(LPG)的周期一般認為有數百微米,它在特定的波長上可把纖芯的光耦合進包層,其公式如下:

li=(n0- niclad)·L ⑵

式中,n0—纖芯的折射率;niclad—i階軸對稱包層模的有效折射率。

光在包層中將由於包層/空氣界面的損耗而迅速衰減,留下一串損耗帶。一個獨立的LPG可能在一個很寬的波長範圍上有許多的共振,其共振的中心波長主要取決於芯和包層的折射率差,由應變、溫度或外部折射率變化而產生的任何變化都能在共振中產生大的波長位移,通過檢測Dli,就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上共振帶的響應通常有不同的幅度,因而適用於構建多參數傳感器。




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