基于单片机实现的光纤光栅应力传感器

第35卷　第6期　　　　　　　　　　　　　　　激光与红外　2005年6月　　　　　　　　　　　　　　LASER　&　INFRARED

Vol.35,No.6June,2005

　　文章编号:100125078(2005)0620420204

基于单片机实现的光纤光栅应力传感器

魏　林,郭玉彬,周　健,张健生,肖　磊,王天枢

(,吉林)

摘　要:,并

(GMM),(Bragg波长偏移,用控制电流来调控FBG的应变和Bragg～5A之间时,反射峰的中心波长的偏移量随所加电流呈线1.10nm(1551.94nm～1553.04nm)。该系统具有对应力测量结果分辨率高、精度高等优点。

关键词:光纤布拉格光栅;应力传感;超磁致伸缩材料GMM中图分类号:TN247　　　文献标识码:A

AFiberBraggGratingStrainSensorBasedonMicro2controller

WEILin,GUOYu2bin,ZHOUJian,ZHANGJian2sheng,XIAOLei,WANGTian2shu

(DepartmentofOpticalCommunication,CollegeofCommunicationEng.,JilinUniversity,Changchun130012,China)Abstract:Anovelmethodtocontrolthin2filmfilteranddetecttheBraggwavelengthoffsetsoffiberBragggrating(FBG)withmicrocontrollerhasbeendemonstrated.Thereal2timemeasurementsofthestrainshavebeenexperiencedwithinaFBGstrainsensingsystem.Ahighperformancegiantmagnetostrictivematerial(GMM)isutilizedtoproducesignificantBraggwavelengthshiftsinFBGs,Whencurrentchangesfrom1Ato5A,theoffsetsofthecenterwavelengthreaches1.1nm(1551.94nm～1553.04nm),anditincreaseslinearlywiththecurrent.ProgrammablecurrentareusedtocontrollablystrainandshiftoftheBraggwavelengthoftheFBGs.Thissystemhasmanyadvantages,suchashighresolutionandhighprecision.

Keywords:fiberBragggrating;strainsensing;GiantMagnetostrictiveMaterials

1　引　言2　实验原理

FBG是一种光纤折射率受到周期调制的光纤

光纤光栅是近几年光纤通信技术中继掺铒光纤放大器之后的又一重大技术突破,现已经被大量应用到光通信和光纤传感领域。光纤光栅是单模光纤纤芯的折射率沿光纤轴向变化的一种光学元件,当它用于传感领域时,用它作为敏感元件的传感器,可对应力、温度、压力、加速度等多个外界量进行精确的检测。光纤光栅传感器具有一般光纤传感器的所有优点,如抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、传输距离远、耐腐蚀等,它突出的优点是:被测信号是采用波

[1～3]

长编码的。

本文提出采用单片机控制光介质薄膜干涉滤波器探测FBG波长移动量的方法,并试验了对外界应力的实时检测的光纤光栅应力传感系统。

型器件,该调制使光纤内传输的光信号的不同模式进行耦合。它的作用相当于一个高反射窄带光反射

[4]

镜,根据光纤耦合模理论(CMT),当宽带光在FBG中传输时,产生模式耦合,对于短周期FBG,满足Bragg条件的入射光波被FBG耦合到反射模中,Bragg反射条件由FBG方程表示:

λΛ(1)B=2neff

其中,λBG的Bragg中心波长;Λ为光栅周期;B为F

　　作者简介:魏　林(1978-),男,吉林大学通信工程学院通信与信息系统专业2002级硕士研究生,主要从事光纤光栅传感器的研究。　　收稿日期:20042102

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第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　激光与红外421

neff为光纤纤芯的有效折射率。

环境影响,如温度或应力变化,都能引起Λ和

Λ和△neff变化,导致符合Bragg条件的的neff发生△

波长发生位移,从而改变峰值反射波。

FBG的中心波长灵敏度由光纤弹性、弹光和热光及加载的应力特性决定。对(1)式作微分,则其中心波长的变化量可由下式决定:

effeffλ△△L+Λ△T+neff+neffB=Λ9L99T92其中,L为光栅区的长度;△L。

λΛ+2neff△Λ()△B=2△neff

该式表明,F轴向应力作用或温度的变化影响时,neffΛ都会发生变化。应力作用下的光弹效应导致其有效折射率变化,形变使光栅常数变化。应力引起Bragg波长的改变,由应力产生的FBG轴向应变来实现:

σ=Efε(4)f

式中,σ为应力;是FBG两端轴向拉力;Er为光纤的弹性模量;εBG的轴向应变;是在应力作用下f为F的单位长度的伸缩量。且有:

ε(5)L/Lf=△

由于应变的作用,导致FBG的有效折射率和光栅栅距的变化,从而改变Bragg波长。

λ△B

ε(6)≈0.78f

λB

对于FBG的应力调谐,拉伸和光弹性效应的共同作用产生的调谐范围由式(6)得:

λελ(7)△.78.78(△L/L)λB≈0fB=0B

可见,由应力产生的Bragg波长变化与应力成线性关系。其调谐范围的大小正比于△L,而反比于光栅的长度。纵向拉伸FBG,使其Bragg反射波长向长波方向变化。可见调谐范围的大小正比于△L,而反比于FBG的长度。如果采用轴向压缩,则可以使Bragg波长向短波长方向移动。由掺铒光纤放大器(EDFA)的自发辐射(ASE)光谱被发生形变

λ的FBG反射,Bragg中心波长产生位移△B。采用

安立MS9710B光谱分析仪(OSA)测量反射光的光

λ谱,即可检测出其波长位移△B。

为了增加FBG的Bragg波长的偏移量,采用如

[6]

图1所示的新型超磁致伸缩材料(GMM)装置。将FBG两端用环氧树脂胶同轴粘贴于一根单端固定的GMM棒的表面上。图中的线圈用来提供一定的偏置磁场,使

GMM棒在适合的线性范围内工作。从而使驱动器工作在伸缩量最大及线性好的区域。

[5]

另外,由于GMM的抗压强度大于其抗拉强度,因此采用预压碟形弹簧使其在一定的压力下工作。通过调整GMM棒上的预紧力,从而使磁滞最小。通过改变驱动线圈中电流的大小,来改变棒中磁场的大小,进而控制其伸缩。在该装置中,磁场构成闭合回路,从而降低了漏磁影响,。

图1　

GMM磁调谐FBG结构

　　采用磁场强度作为控制量的GMM输出位移测

量曲线如图2所示。其驱动电流为0～4A,当磁场在100～700Oe时线性度较好,因此可实现GMM材料在100～700Oe的线性区内工作,对FBG作线性调谐。

Appliedmagneticfields/kOe

图2　GMM位移量与外加磁场关系

　　当GMM棒被控制磁场磁化后将伸长,其变化

长度为:

△≈l

2

BμE0

(8)

式中,S为GMM端面的面积;E为GMM的弹性模

量;μ0为真空磁导率;B为磁场的磁感应强度。

FBG的伸张长度△L和GMM棒在磁场作用下

的伸张长度△l是一样的。因此有:

εfL

(9)

若GMM棒比FBG长,则其应变灵敏度可以提高

l/L倍。其中,l为GMM棒的长度,ε为GMM材料平行磁场方向的轴向应变。则:

ε=△l/l(10)在反射中心波长的测量中,用单片机代替了昂

422激光与红外

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第35卷

贵的OSA。其基本思想是利用单片机控制光滤波器定时扫描,同时通过检测光功率的大小来确定最大的反射中心波长。如图3所示,由光纤光栅反射的光入射到经过由单片机AT89C51(MCU)控制的滤波器后,接着由光检测器PIN光电二极管(GT322DInGaAsPINPD)输出一系列光电流,通过放大器和A/D转换得到一系列相应的电压,送入单片机分析和处理得到最大的反射中心波长。测试结

果由多位数码管组成的毫伏表实时显示。

实验所用的光纤光栅是采用相位掩模法,系用载氢增敏的方法在普通单模光纤中写入的。FBG的反射率,由EDFA的ASE谱通过光环行器与FBG级联的方法测得。扣除光环行器的损耗1.2dB,测得光纤光栅的反射率为69 …… 此处隐藏：4836字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……