【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，當外界的應力發(fā)生改變時，將會導致光纖光柵的 Λ或者 neff的改變，因而檢測光纖光柵中心反射波長的變化，可以獲知外界應力的變化。 92 設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 β0=2πneff/λ0， 其中 λ0為輸入光的波長 ， neff為波導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整 ， 從而可以制作出不同反射波長的 Bragg光柵 。 95 光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的應力或者應變發(fā)生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產生光柵 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力或者應變變化情況。 由外界應力引起光纖光柵軸向應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為在外界應力作用下光柵布拉格反射波長移動量， ε是光纖軸向應變，可表示為： 96 在實際應用中， ε是個很小的量，為此引入應變量的 106， με作為光纖光柵度量單位。 97 FBG所具有的多傳感器復用能力，使它在準分布測量、多參數(shù)組合測量等方面顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復合材料固化監(jiān)控、大型土建結構內部應變分布及大型電力設備內部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應用前景。 98 光連接器 調制解調器 顯示儀表 計算機 使用現(xiàn)場 控制室內 傳輸光纜 連接光纜 FBG探頭 光纖光柵監(jiān)測報警系統(tǒng)結構示意圖 99 3 、光纖布喇格光柵解調原理 光纖布喇格光柵的解調有多種方法，下面介紹 匹配光纖光柵解調法 。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 當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內漂移，如左圖所示；解調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光柵時，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對應的范圍內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的一定光強度的光信號。 103 FP腔波長濾波解調原理 法布里 — 珀羅腔 (FP腔 )的光學原理是多光束干涉 ， 在一定波長范圍內 ， 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生相干極大 ， 原理如圖 1所示 ,由于 光的入射產生了多個反射光束 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。 因此解調裝置多采用調諧腔長的方法，在透射光強達到最大值時可求出入射波長。 2??? knh105 調制解調器工作原理簡圖 106 ? 光纖光柵分布傳感技術是先進傳感技術發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代結構監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術要求。 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應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絡系統(tǒng) ， 可廣泛應用于對工程結構的應力 、 應變 、溫度等參數(shù)以及內部裂縫 、 變形等參數(shù)的實時在線 、分布式檢測 。 108 ? 目前 ， 應用光纖光柵傳感器最多的領域當數(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應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上 ， 對橋梁結構進行長期監(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構橋梁上，安裝了 120個光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當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)不僅可以對標準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)荷載引起的結構響應、退化和損壞，了解橋梁對交通響應的長期變化。 110 ? 美國巴特勒縣建造的全復合材料橋梁埋入了光纖光柵應變傳感器 ， 可有規(guī)律的監(jiān)視橋梁的荷載響應和長期性能 。 ? 佛蒙特大學用光纖光柵傳感器監(jiān)測沃特伯里佛蒙特鋼構架大橋 。 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)視橋梁結構情況 。 111 ? 德國德累斯頓附近的預應力混凝土橋 、 比利時跟特環(huán)城運河預應力混凝土橋梁 、 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 ? 武漢理工大學光纖中心作為國家唯一的光纖傳感技術工業(yè)試驗基地，依托在國內技術領先的優(yōu)勢和本校在工程結構、光電子學、信息科學、材料科學等領域的多學科優(yōu)勢，以結構工程監(jiān)測技術為突破口，以工程應用為根本，從九十年代初期在國內率先開展了研究，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力監(jiān)測系統(tǒng)； ? 3. 寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應力分布測量系統(tǒng)； ? 4. 巴東長江大橋雙塔光纖光柵和應力施工監(jiān)測系統(tǒng)長 期智能健康監(jiān)測系統(tǒng)； ? 5. 海口世紀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應力施工監(jiān)控系統(tǒng)及長期智能健康系統(tǒng) 。 114 本章結束 作業(yè) P186: 4題