【正文】 ，反射的中心波長由下式確定： 91 其中 neff 是光纖芯區(qū)有效折射率 。 Λ 是光纖光柵的柵距即周期 。 只有滿足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射 。 對上式取微分可得： 從式中可以看出，當(dāng)外界的應(yīng)力發(fā)生改變時，將會導(dǎo)致光纖光柵的 Λ或者 neff的改變，因而檢測光纖光柵中心反射波長的變化，可以獲知外界應(yīng)力的變化。 92 設(shè)兩列波沿著同一方向傳播 ， 其傳播常數(shù)分別為 β0和 β1， 如果 ?????? 221 其中 Λ為光柵周期 ， 則一個波的能量可以耦合到另一個波中去 。 在反射型濾波器中 ， 我們假設(shè)傳播常數(shù)為 β0的光波從左向右傳播 ， 如果滿足條件： ????????? 22)(00093 則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中去 。 設(shè) β0=2πneff/λ0， 其中 λ0為輸入光的波長 ， neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率 。 也就是說 ， 如果 λ0=2neffΛ， 光波將發(fā)生反射 ， 這個波長 λ0就稱作 布喇格波長 。 94 光纖光柵的柵距 Λ 可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度得到調(diào)整 ， 從而可以制作出不同反射波長的 Bragg光柵 。 95 光纖光柵應(yīng)變傳感器的基本原理是：當(dāng)光柵周圍的應(yīng)力或者應(yīng)變發(fā)生變化時，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵 Bragg 信號的波長位移 △ λ，通過監(jiān)測 Bragg 波長位移情況，即可獲得柵周圍的應(yīng)力或者應(yīng)變變化情況。 由外界應(yīng)力引起光纖光柵軸向應(yīng)變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長移動，由下式給出： 這里 λB是光柵布拉格反射波長， △ λB為在外界應(yīng)力作用下光柵布拉格反射波長移動量， ε是光纖軸向應(yīng)變，可表示為： 96 在實際應(yīng)用中， ε是個很小的量，為此引入應(yīng)變量的 106， με作為光纖光柵度量單位。 97 FBG所具有的多傳感器復(fù)用能力，使它在準(zhǔn)分布測量、多參數(shù)組合測量等方面顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復(fù)合材料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布及大型電力設(shè)備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。 98 光連接器 調(diào)制解調(diào)器 顯示儀表 計算機 使用現(xiàn)場 控制室內(nèi) 傳輸光纜 連接光纜 FBG探頭 光纖光柵監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 99 3 、光纖布喇格光柵解調(diào)原理 光纖布喇格光柵的解調(diào)有多種方法，下面介紹 匹配光纖光柵解調(diào)法 。匹配光纖光柵檢測信號的基本原理如下圖所示，其中左圖為傳感光柵與解調(diào)光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢測到的信號． 100 選用一個與傳感光纖光柵 FBG1 參數(shù)相近的光纖光柵 FBG2 （匹配光柵）作為檢測光柵，使兩個光柵的反射譜部分重疊，即設(shè)置合適的偏置．傳感光纖光柵的輸出信號為檢測光纖光柵的輸入信號。輸出信號、輸入信號都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。 101 當(dāng)傳感光纖光柵受到應(yīng)變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)光柵的反射譜是相對固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對應(yīng)的范圍內(nèi)的光波才可能被反射，而重疊部分的面積與反射譜的光強度成正比． 102 當(dāng)兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較大，反之則較小，即檢測器檢測到的光強是檢測光纖光柵 FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個光譜函數(shù)的卷積。隨著 FBG1上的微擾，在 FBG2的反射譜中可檢測到相對應(yīng)的一定光強度的光信號。 103 FP腔波長濾波解調(diào)原理 法布里 — 珀羅腔 (FP腔 )的光學(xué)原理是多光束干涉 ， 在一定波長范圍內(nèi) ， 若以平行光入射到 FP腔 ,則只有滿足相干條件的某些特定波長產(chǎn)生相干極大 ， 原理如圖 1所示 ,由于 光的入射產(chǎn)生了多個反射光束 1， 2， 3， ..和多個透射光束 ， ..， 其透射光強 : 2s in)1(41)( 220 ??RRII???2s i n)1(41)(220??RRII???其中 δ 為相鄰兩光束相位差 104 當(dāng)相位差 δ =2kπ (k=1,2,3...)時， 入射光完全透射，透射光最強。 因此解調(diào)裝置多采用調(diào)諧腔長的方法，在透射光強達到最大值時可求出入射波長。 2??? knh105 調(diào)制解調(diào)器工作原理簡圖 106 ? 光纖光柵分布傳感技術(shù)是先進傳感技術(shù)發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術(shù)要求。 光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干擾能力強、集傳感與傳輸于一體、易于制作和埋入等優(yōu)點，而且光柵具有波長分離能力強、對環(huán)境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度極高、能絕對數(shù)字測量和精確定位的優(yōu)點。 107 ? 特別是它可實現(xiàn)分布傳感 ， 即在一根光纖上根據(jù)應(yīng)用要求刻寫多個不同布喇格波長的光柵 ， 在光纖一端實現(xiàn)所有光柵信號的檢測；同時能進一步集合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ， 可廣泛應(yīng)用于對工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力 、 應(yīng)變 、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫 、 變形等參數(shù)的實時在線 、分布式檢測 。 108 ? 目前 ， 應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測 。 加拿大卡爾加里附近的 Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一 （ 1993年 ） ， 16個光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復(fù)合材料筋上 ， 對橋梁結(jié)構(gòu)進行長期監(jiān)測 ，這在以前被認為是不可能的 。 109 ? 1999年夏，在美國新墨西哥 Las Cruces10號周濟高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了 120個光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當(dāng)時在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的記錄。這座橋梁于 1970年建成，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了許多疲勞裂紋。這套光纖光柵傳感系統(tǒng)不僅可以對標(biāo)準(zhǔn)車輛進行探測和計數(shù)，而且可以測量車輛的速度和重量，有了此系統(tǒng)，就能監(jiān)視動態(tài)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、退化和損壞，了解橋梁對交通響應(yīng)的長期變化。 110 ? 美國巴特勒縣建造的全復(fù)合材料橋梁埋入了光纖光柵應(yīng)變傳感器 ， 可有規(guī)律的監(jiān)視橋梁的荷載響應(yīng)和長期性能 。 ? 佛蒙特大學(xué)用光纖光柵傳感器監(jiān)測沃特伯里佛蒙特鋼構(gòu)架大橋 。 俄勒岡哥倫比亞河谷的 Horsetail fall橋也安裝了 28個光纖光柵傳感器來監(jiān)視橋梁結(jié)構(gòu)情況 。 111 ? 德國德累斯頓附近的預(yù)應(yīng)力混凝土橋 、 比利時跟特環(huán)城運河預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁 、 瑞士洛桑附近的 Vaux箱形梁高架橋 、 瑞士溫特圖爾的 Storck橋 、 加拿大溫尼伯湖附近的Taylor橋都使用了光纖光柵傳感器進行監(jiān)測 。 112 ? 武漢理工大學(xué)光纖中心作為國家唯一的光纖傳感技術(shù)工業(yè)試驗基地，依托在國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢和本校在工程結(jié)構(gòu)、光電子學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的多學(xué)科優(yōu)勢，以結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測技術(shù)為突破口，以工程應(yīng)用為根本，從九十年代初期在國內(nèi)率先開展了研究，取得了一系列的研究成果，成功地開發(fā)出多種光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)。 113 ? 1. 深圳市民中心大廈光纖光柵智能健康監(jiān)測系統(tǒng)； ? 2. 襄樊漢江四橋錨索光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)； ? 3. 寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應(yīng)力分布測量系統(tǒng)； ? 4. 巴東長江大橋雙塔光纖光柵和應(yīng)力施工監(jiān)測系統(tǒng)長 期智能健康監(jiān)測系統(tǒng)； ? 5. ?？谑兰o(jì)大橋光纖光柵長期健康監(jiān)測系統(tǒng)； ? 6. 貴陽大橋光纖光柵預(yù)應(yīng)力施工監(jiān)控系統(tǒng)及長期智能健康系統(tǒng) 。 114 本章結(jié)束 作業(yè) P186: 4題