第7章光纤传感器基本原理

1、第第7 7章章 光纤光纤传感器基本原理传感器基本原理F Fundamentalundamental of Optical of Optical Fiber Sensor Fiber Sensor 1 1、光调制的概念、光调制的概念光调制就是将信息加到载到波光波上，使光载波的某一参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器检测，然后解调出所需要的信息。7.1 7.1 光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理2 2、光纤传感系统的基本构成、光纤传感系统的基本构成外界物理量与外界物理量与进入调试区的进入调试区的光相互作用光相互作用光强、波长、频率、光强、波

2、长、频率、相位、偏振态等发相位、偏振态等发生变化生变化被被测测参参数数传感区传感区光纤不做为敏感器件，光纤不做为敏感器件，只起传到光的作用只起传到光的作用光纤本身起敏感元件光纤本身起敏感元件的作用。光纤与被测的作用。光纤与被测物理量相互作用时，物理量相互作用时，光纤自身的结构参量光纤自身的结构参量或者光纤的传光特性或者光纤的传光特性发生变化。发生变化。传感型传感型传光型传光型 1）强度调制型2）相位调制型3）频率调制型4）波长调制型5）偏振调制型3、光纤传感器分类、光纤传感器分类概念：待测物理量引起光纤中传输的光波强度发生变化，通过检测光强的变化实现待测物理量的测量。7.2 强度调制光纤传感器

3、的基本原理强度调制光纤传感器的基本原理被被测测信信号号光探光探测器测器透射式强度调制透射式强度调制2吸收系数强度调制吸收系数强度调制43 1折射率强度调制折射率强度调制3 3反射式强度调制反射式强度调制1、强度调制传感器类型、强度调制传感器类型3 5光模式强度调制光模式强度调制输入光纤将光源的光输入光纤将光源的光射向被测物体表面，射向被测物体表面，再从被测面反射到另再从被测面反射到另一根输出光纤中，其一根输出光纤中，其光强的大小随被测表光强的大小随被测表面与光纤间的距离面与光纤间的距离d而变化。而变化。这是一种非功能型光纤传感器，这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。光纤本身只起传

4、光作用。反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面距离直的，反射镜面在其背面距离 处形成输入光纤的虚象，处形成输入光纤的虚象，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。联系的。设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为，数值孔径为，数值孔径为 ，两光纤垂直距离为，两光纤垂直距离为反射型光强外调制示意图反射型光强外调制示意图ad2r输出光纤输出光纤输入光纤的镜像输入光纤的镜像输入光纤输入光纤输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤2d反射型光强外调制示意图ad2r输出

5、光纤输入光纤的镜像输入光纤的镜像输入光纤输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤R.).(sin1ANtgT令：d2r2TdrR2返回返回输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤R.).(sin1ANtgT令：d2r2TdrR2率为零。时进入输出光纤的光功，即当TadarR2输出光纤输出光纤a输入光纤输入光纤Rd2r2TdrR2率达到最大。时进入输出光纤的光功，即当TradarR223 当距离当距离 时，两光纤的时，两光纤的耦合为零，无反射光进入输耦合为零，无反射光进入输出光纤；出光纤；Tad

6、2Trad22当当 时，两光纤耦合最时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此时强，输出光强达最大值，此时输入光纤的像发出的光维底面输入光纤的像发出的光维底面积将输出光纤端面积全部遮盖，积将输出光纤端面积全部遮盖，p pr2是一个常数，光维底面积是一个常数，光维底面积为为p p(dT)2检测位移的范围：检测位移的范围：之间和TraTad222Trd 因此最大检测范围：因此最大检测范围：在在如果作线性近似，即将维体边缘与输如果作线性近似，即将维体边缘与输出光纤芯交界的弧线作为直线处理，出光纤芯交界的弧线作为直线处理，则可得到线性解，在线性近似下，可则可得到线性解，在线性近似下，可求得交叠面积与光纤

7、芯面积之比为：求得交叠面积与光纤芯面积之比为： rrrrp1cossin11cos111）（r模型模型r光耦合系数近似计算光耦合系数近似计算式中式中 为交叠面积的高，由为交叠面积的高，由 d 决定：决定： 假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率耦合效率F ，即为交叠面积与光维底面积，即为交叠面积与光维底面积之比：之比：adT 222rdTrFr交叠面积交叠面积例：芯径例：芯径2r=200m mm，N.A.=0.5的阶跃光纤，的阶跃光纤，a=100m mm, 计算结果表明最大耦合效率计算结果表明最大耦合效率Fmax=7.2% , 发生于发生于d=320m

8、 mm处。处。d(m mm)Fmax=6.62%(计算结果计算结果)22dTrF上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分，还假定了光纤为阶跃型光纤；模谱是均匀一，还假定了光纤为阶跃型光纤；模谱是均匀一致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；反射致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；反射面平行于光纤端面；反射率为面平行于光纤端面；反射率为100等。等。发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤

9、发出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化纤发出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离x。调调制制信信号号动光纤式光强调制模型动光纤式光强调制模型位移、压力、位移、压力、温度等温度等将光强调制信号加在移动的遮光板上。该办法可以测量位移、压力、温度等物理量，这些物理量的变化使光强变化。由于闸式要使两光纤距离大一些，因此光损耗较大，但它可固定两光纤，因而使用可靠。 光闸发射光纤接收光纤调调制制信信号号当光纤发生弯曲时， 会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就是微弯损耗。利

10、用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把微弯损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理量联系起来制成各种光纤微弯传感器。微微 弯弯 损损 耗耗 调调 制制 示示 意意 图图微微 弯弯 损损 耗耗 调调 制制 示示 意意 图图纤芯中的光向包层逸出的原因：说是由于全反射条件的破坏造成的；则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。实用中的光纤微弯传感器如图所示，由多模光纤与一个空间周期为L的梳状调制器构成，当外界压力、位移或振动等使调制器变形时，将改变光纤弯曲部分的模振幅，从而对光纤中传输光强度产生调制。传感器的灵敏度主要与

11、三个因素有关：微弯幅度、微弯数目、微弯周期。其中，且有一个与传感光纤有关的临界周期Lc。当光纤微弯周期接近于临界周期时，光纤中光功率损耗急剧增加，即光纤传感灵敏度显著增加。光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量，据此可以制作出光纤传感器。微变形光纤强度调制传感器的优点：。q q0 0称为光纤孔径角称为光纤孔径角)1arcsin(222100nnnq通过改变n1与n2之间的差，可以改变传输损耗。因此，根据传输光功率的变化可确定物理量的变化。n1n2q q0 0设液体折射率随温度升高而减小设液体折射率随温度升高而减小)1arcs

12、in(:222100nnnq光纤孔径角n1n2TT22nnTT时，当 )1arcsin(:222100nnnq光纤孔径角n1n2含油含油液体液体1)1arcsin(:222100nnnq光纤孔径角n1n2含油含油液体液体2x射线、g射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器，其原理如图所示。光功率计光功率计改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、g射线、中子射线最敏感材料的吸收特性与射线剂量的关系曲线用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。应用应用

13、概念：待测物理量引起光纤中的传输光的相位概念：待测物理量引起光纤中的传输光的相位发生变化，发生变化，用干涉测量技术把相位变化转换为用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理光强变化，从而检测出待测的物理。被被测测信信号号光探光探测器测器xyz110PLLnLp02P点相位比点相位比0点延迟点延迟光波通过长度为光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相的光纤后，出射光波的相位延迟为位延迟为:LLnLp02当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化。LnLp02光纤的物理特性发生变化时，光波相位的变化可以写成如下形式

14、：aaLnnLLLL温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变化的温度场中，那么温度场将影响光纤折射率n和长度L。LLp2Lnknk00,则设TTnnLTTLnkTnLk)1()(00式中第一项表示折射率变化引起的相位变化,第二项表示光纤几何长度变化引起的相位变化,L/(LT)热膨胀系数。温度变化引起光纤中光波相位延迟为：例如：纯硅材料，折射率n=1.46k/105 . 57kTn/1068. 05折射率温度系数热胀温度系数TTnnLTTLnkTnLk)1()(001）迈克尔逊干涉仪 2）马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪3）赛格纳克（Sagnac）干涉仪4）法布里珀罗干涉仪M1

15、和和M2是两块平面反射镜是两块平面反射镜,其中其中M2是固定的是固定的,M1可作微小移动。可作微小移动。G1有一半透明的薄银层有一半透明的薄银层,起分光作用。起分光作用。G2起补偿作用。起补偿作用。M1是是M1对对G1形成的虚像。形成的虚像。M2和和M1间形成一空气薄膜。间形成一空气薄膜。当当M1、M2严格垂直严格垂直时时,M1和和M2之间形成之间形成等厚空气膜等厚空气膜,可观察到可观察到等倾条纹的圆形条纹等倾条纹的圆形条纹;当当M1、M2不严格垂不严格垂直时直时,M1和和M2之间形之间形成空气劈尖成空气劈尖,这时可观这时可观察到等厚干涉的直线察到等厚干涉的直线条纹。条纹。21s1MG1G2M

16、1M22 Nd221s1MG1G2M1M2每当每当M1移动移动 /2 ,光线光线1、2的的光程差就改变一个光程差就改变一个 ，视场，视场中就会看见中就会看见一条条纹移过，一条条纹移过，如果看见如果看见N条条纹移过，则条条纹移过，则反射镜反射镜M1移动的距离是：移动的距离是：220p21激光器激光器1MG1G2M1M2待检测信待检测信号号光探光探测器测器可移动反射镜每移动 长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。如果使用 激光 ，它位移检测精度大致为 。2oANeHe6328mm710探测器探测器信号臂信号臂参考臂参考臂3dB耦合器耦合器图为迈克尔逊全光纤干涉仪的结

17、构。图中以一个3dB耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。光源光源探测器探测器信号臂信号臂参考臂参考臂3dB耦合器耦合器图为迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。图中以一个3dB耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。光源光源II0(1+cos)0这样，通过检测光强变化，可知，进而测量产生变

18、化的物理量。Ln02p两束光位相差：II0(1+cos)00p p /2 /2II0(1-sin)存在问题：小信号灵敏度低解决方法：在两束光之间引入p/2相位偏置探测器探测器信号臂信号臂参考臂参考臂3dB耦合器耦合器光源光源PZTPZT相位偏置相位偏置固定反射镜固定反射镜光光 源源光探测器可移动反射镜可移动反射镜传感器分束器分束器1分束器分束器2反射镜的反射镜的位移引起位移引起相位差相位差很少有光很少有光返回到激返回到激光器光器固定反射镜固定反射镜光光 源源光探测器可移动反射镜可移动反射镜传感器分束器分束器1分束器分束器2反射镜的反射镜的位移引起位移引起相位差相位差很少有光很少有光返回到激返回

19、到激光器光器光源信号臂信号臂参考臂参考臂3dB3dB耦合器耦合器优点：体积小、机械性能稳定优点：体积小、机械性能稳定信号处信号处理器理器测量参数测量参数I0耦合器耦合器耦合再分耦合再分成两束光成两束光信号臂与参考臂相位差3光纤陀螺（fiber optic gyroscope FOG）是利用光学传输特性而非转动部件来敏感角速率和角偏差的惯性传感技术。FOG可用于洲际导弹、远程轰炸机和核潜艇的制导,也可广泛应用于飞机、船舶和汽车的导航,火炮和雷达系统的稳定控制,石油钻井和机器人控制等国民经济和国防建设的许多重要领域。光纤陀螺仪是根据塞格纳克（Sagnac）的理论发展起来的。指在任意几何形状的闭合光

20、路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。Sagnac法国人，法国人，1913年年从理论和实验证从理论和实验证实了该效应实了该效应塞格纳克（塞格纳克（Sagnac）效应）效应1两束光经 时间后仍然回到1。塞格纳克（Sagnac）效应I顺顺I逆逆cRtp2时，时，0cRtp2RtRLp2逆逆1RtRL顺p2cAcRRtL4422p两束光光程差和位相差：cALpp82塞格纳克（Sagnac）效应）效应I顺顺I逆逆相会。时，两束光在 10

21、2RApR 1II0(1+cos)0 cALpp82两束光位相差：这样，通过检测光强变化，可知旋转速度，这种技术是设计导航系统中光纤陀螺的基础。cNAp8N 是光纤环匝数耦合器耦合器II0(1+cos)00p p /2 /2II0(1-sin)存在问题：（1）输出光强不能反映转动方向（2）小信号灵敏度低解决方法：在两束光之间引入p/2相位偏置干涉式光纤陀螺基本原理 数字闭环FOG结构示意图光源光源光源光源光纤陀螺光纤陀螺结构及工作结构及工作原理原理主要信号处理技术：主要信号处理技术： 数字闭环FOG结构示意图p00002sin2sin1 )2cos(1 IIIIII相邻时间内光强差cNAp8光

22、源发出的光经过耦合器后分为两束光，其中的一束光进入电光相位调制器（Y波导），这两束光在光纤环中相向传播，感应外部的角速度运动，在探测器处检测干涉信号光强变化，经过光电信号处理转换之后，形成闭环反馈电压信号来调节Y波导，使Y波导产生与外部Sagnac相移大小相等方向相反的反馈相移，使数字闭环光纤陀螺始终工作在零点相移附近，在数据处理的同时即可以获取外部的角速度信息。 光纤陀螺光纤陀螺实物图实物图光纤陀螺应用光纤陀螺应用l 战略导弹系统和潜艇导航应用；战略导弹系统和潜艇导航应用；l 卫星定向和跟踪；卫星定向和跟踪；l 天体观测望远镜的稳定和调向；天体观测望远镜的稳定和调向；l 各种运载火箭应用；各

23、种运载火箭应用；l 舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航；舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航；l 光学罗盘及高精度寻北系统；光学罗盘及高精度寻北系统；l 战术武器制导与控制系统；战术武器制导与控制系统；l 陆地导航系统陆地导航系统(+GPS)(+GPS)；l 姿态航向基准系统；姿态航向基准系统； l 汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石油钻井定向、机器汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。单色扩展光源单色扩展光源Ph1f2f 焦平面屏幕L2这些透射光束都是相互平行的，每相邻两光束在到达透

24、镜L2的焦平面上的同一点时，彼此的相位差值都一样：20cos22ihnpi1i2信号处理耦合器耦合器光源探测器敏感器件谐振腔高反膜隔离器概念：利用外界作用改变光纤中光的频率，通过检测光纤中光的频率的变化来测量各种物理量,这种调制方式称为频率调制。频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现波源的振动频率波源的振动频率f观察者测得的频率观察者测得的频率f由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应。如果二感到频率变化的现象叫做多普勒效应。如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，

25、观察者接收到的频率减小二者远离，观察者接收到的频率减小u 观察观察波源不动波源不动,观察者靠近波源观察者靠近波源:uf fuuffuu/fuu波源以速度 运动，在一个周期T内由S点运动到S点。这相当于把声源静止时的波长，由于声源的运动而被压缩在SA之间了,波长变为：fuffuTuTSTSSAuTTxfuuufS为光源，P为运动物体，Q为观察者所处的位置，若物体P的运动速度为，其运动方向如图所示，则从S发出的光频率f , 运动物体接收到的频率为f1，它们之间有如下关系：光源S物体PQ1q2qfuufq11cosfufuuuufuuufuufuuf)cos(cos1 )coscos( cos)co

26、s)(cos( coscoscos21221222222121122qqqqqqqqqq经运动物体P散射后，观察者在Q处观察到的运动物体反射的光频率f2为根据上式，可以设计出多普勒光纤流速、流量测量传感器光源S物体PQ1q2q设光源频率为设光源频率为f，经半反射镜进入光纤射入到被测流体，经半反射镜进入光纤射入到被测流体，当流体以速度当流体以速度运动时，根据多普勒效应，其向后散射运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为光的频率为f +f 或或f f （视流向而定视流向而定）半反射镜透镜探测器分析器光纤检偏器起偏器流流体体 )cos(cos212qqcffff激光器B光纤截面光纤截面ff+ f

27、半反射镜透镜探测器分析器光纤检偏器起偏器流流体体 向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经半反射镜，由检偏器向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光f与后向散射光与后向散射光f +f或或f -f的差拍的拍频的差拍的拍频f，由此可知流体的流速。，由此可知流体的流速。激光器B光纤截面光纤截面ff+ f)cos(cos212qqcffff光谱特性随外界物理量变化而变化，通过检测光谱分布来测量物理量。被被测测信信号号被被测测信信号号)(iP)(oP得到得到S (t)得到得到Po ( )(iP光纤光栅传

28、感器-波长调制传感器光纤光栅：利用利用光纤材料的光敏性，用光纤材料的光敏性，用光强周期性光强周期性或非周期或非周期性性变化的变化的紫外紫外激光照射光纤，使光纤纤芯的折射激光照射光纤，使光纤纤芯的折射率发生率发生沿纤芯轴向周期性或非周期性变化沿纤芯轴向周期性或非周期性变化而形成而形成空间空间相位光栅相位光栅，实质上是在纤芯内形成一个窄带，实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器。的（透射或反射）滤波器。例：均匀光纤光栅例：均匀光纤光栅早在1978年， K.O.Hill等人就发现了掺诸光纤对紫外光具有敏感性。1989年MEITZ等人成功的用紫外线将光栅写入光纤。从此，光纤光栅进入了快速发

29、展阶段，人们采用各种各样的写入技术制作光纤光栅。几种比较常用的光纤光栅（1）光纤布拉格光栅（FBG）：是一种主流的光纤光栅，是周期小于1m的光纤光栅（一般0.1m）。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在传感器领域，Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和解复用器等器件。折射率分布折射率分布反射光谱反射光谱光纤布拉格光栅（光纤布拉格光栅（FBG）几种比较常用的光纤光栅（2）长周期光纤光栅（LPFG）：也是现在用途很广的光纤光栅之一，周期为几十至几百微米的光纤光栅（周期一般为光栅（周期一般为100m量级），

30、量级）， LPFG的谐振峰的谐振峰带宽要大得多，约为几十带宽要大得多，约为几十nm。它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域，长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。折射率分布折射率分布透射光谱透射光谱几种比较常用的光纤光栅（3）切趾光纤光栅（AFG）：其折射率在调制头尾处都有相应的函数关系，切趾光栅的特点是边摸明显降低。对于一定长度的Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制

31、比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模，人们提出了切趾光纤光栅。切趾光纤光栅折射率分布折射率分布反射光谱反射光谱（4）啁啾光纤光栅（CFG）：该光栅的周期是光栅的位置的渐变函数，由于栅格间距不等，不同的栅格间距对应不同的反射波长，因此它的反射谱更宽，啁啾啁啾光栅光栅带宽可达带宽可达100nm，因而可，因而可应用应用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。折射率分布折射率分布反射光谱反射光谱啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅 折射率分布折射率分布反射光谱反射光谱相移光纤光栅相移光纤光栅光纤光栅的制作方法是在光纤

32、材料具有光敏性的前提下，在纤芯内使用紫外光嵌入具有一定规律变化的入射光场，使其内部平行于纤芯方向的折射率发生周期性改变，达到形成相位光栅的目的。简单的说就是在光纤光栅纤芯的内部嵌入一个具有窄带的反射镜或滤波器。一、光纤光栅的制作方法一、光纤光栅的制作方法光纤布拉格光栅是一小段光纤，一般几毫米长，其纤光纤布拉格光栅是一小段光纤，一般几毫米长，其纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光（峰值波长为芯折射率经两束相互干涉的紫外光（峰值波长为240nm）照射后产生周期性地调制，干涉条纹周期）照射后产生周期性地调制，干涉条纹周期L L由两光束之间的夹角决定。由两光束之间的夹角决定。用于写光栅的光纤应提前进行敏化

33、处理，使其对于紫用于写光栅的光纤应提前进行敏化处理，使其对于紫外光敏感，将纤芯曝光于紫外光下将导致纤芯折射率外光敏感，将纤芯曝光于紫外光下将导致纤芯折射率永久性变化。永久性变化。一、光纤光栅的制作方法一、光纤光栅的制作方法相位掩模法，是利用紫外光垂直照射相位掩模形成衍射条纹曝光光敏光纤或载氢光纤，改变光纤纤芯折射率，产生小的周期性调制形成光纤光栅。 光纤光栅的制作方法1-相位掩模法由加拿大的由加拿大的Hill等人于等人于1993年提出年提出实现对光纤光栅的折射率调制实现对光纤光栅的折射率调制光纤光栅的制作方法光纤光栅的制作方法 2-双光束干涉法双光束干涉法二、布拉格光纤光栅二、布拉格光纤光栅(

34、FBG)光谱特性光谱特性当光入射到布拉格光纤光栅中时，入射光将在相应的频率上被反射回来，其余的光谱则不受影响。 反射中心波长B由下式确定： 2BeffnLneff 是光纤芯区的有效折射率 L LB光纤光栅反射和透射光谱光纤光栅反射和透射光谱反射光谱 透射光谱反射中心波长由下式确定： 2BeffnLneff是光纤芯区的有效折射率是光纤芯区的有效折射率 布拉格光纤光栅光谱特性布拉格光纤光栅光谱特性L LB反射中心波长由下式确定： 2BeffnLneff是光纤芯区的有效折射率 由上式可以看出，能够引起neff和L变化的物理量均能够引起反射波长B的变化。因此，可以通过检测布拉格光栅中心反射波长B的偏移

35、情况来检测外界物理量的变化。1 1、宽带光进入光纤，经过光栅反射回特定波长的光、宽带光进入光纤，经过光栅反射回特定波长的光2 2、通过测量光栅反射波长，换算被测体温度、通过测量光栅反射波长，换算被测体温度/ /应变等物理量应变等物理量3 3、光栅的温度特性为、光栅的温度特性为10pm/10pm/，应变特性为，应变特性为1.2pm/1.2pm/微应变微应变L LB光强光强反射光谱反射光谱透射透射射光谱射光谱2BeffnL光纤光栅传感器原理光纤光栅传感器原理LLeffeffBnn22温度传感模型TfBB)(dTdfLL1dTdnn1-光纤的热膨胀系数-光纤材料的热光系数)(f-温度系数，10pm/

36、C (在1550nm)应变传感模型)1 (eBBPddnnPe1-光纤材料的弹光系数)1 (eP-应变系数，1.2 pm/m光纤光栅传感器组成信号处理环形器环形器宽光谱光源波长测量FBG施加应变和改变温度均可以改变光栅的周期和折射率，使其反射波长产生变化。应用举例：传感器安装位置传感器安装位置三、应变与温度的分离测量三、应变与温度的分离测量用一只参考光纤光栅作为温度或者应变的参考，从而实现对另一物理量的测量。信号处理耦合器耦合器宽光谱光源波长测量FBG1隔离器FBG2参考光栅传感光栅用一个不受应变作用的光栅做温度参考，参考光栅置于应变传感光栅相同的温度环境中。由于温度变化，传感光栅和参考光栅波

37、长移动量相等。将传感光栅波长移动量减去参考光栅波长移动量，就消除了温度的影响。光纤光栅传感器应用-重量测量)1 (eBBP根据：若沿光纤轴向施加重力F, 根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为：SFE1式中: E为光纤的杨氏模量; S 为光纤的横截面积。F引起的布拉格波长的变化为BeBPSFE)1 (1上式说明应力F和B 也具有线性关系。光纤光栅支撑2FBeBPSFE)1 (1Fx xhyx重力测量实验装置光纤光栅LxeBBP)1 ( x悬臂梁上沿x 轴方向上x 处的应变重力测量实验装置x可表示为:Rhx2其中, R 为考察点处的曲率半径。 R 与材料的杨氏模量E、该点弯矩M 以及所在截面的关于y

38、 轴的惯性矩Iy 的关系为：MEIRy综合以上公式，得到应变引起的布喇格反射波长的变化为：)1 (2eyBBPEIMh若梁自由端的挠度不大,且不计梁的自身质量, 弯矩M 为)(xLFM令yeEIxLPhhxk/ )(1 (),(FhxkBB),(得到实验装置原理框图实验装置由光纤光栅、宽带光源、耦合器、隔离器、扫描滤波器、光功率计组成。信号处理宽光谱光源光功率计FBG扫描滤波器耦合器耦合器仪器操作界面仪器操作界面光纤光栅重量传感器原理示意光纤光栅重量传感器原理示意P Px xwPwP光纤光栅重量传感器原理示意光纤光栅重量传感器原理示意PwwbaW 光纤光栅重量传感器原理示意光纤光栅重量传感器原

39、理示意光纤光栅传感器的种类光纤光栅传感器的种类通过对光栅进行一定的封装之后，凡能够使光纤光栅产生轴向形变的物理量，均可通过光纤光栅来测量 温度 应变（压力） 位移 液位 加速度 弯曲 光纤光栅传感器的种类光纤光栅传感器的种类利用光纤光栅温度、应变敏感的特性，通过传感头的设计/封装，可以测量多种物理参数1、材料优势： 传感器体积小，重量轻 耐化学腐蚀 优异的耐疲劳特性 适和应用于恶劣环境2、传感优势： 光纤既是传感器又是信号传输媒介，抗强电磁干扰 测点数多，可串，并联组网，可多参数测量 长距离传输，可达40km 可靠性高，在某个传感器失效情况下，其它传感器数据仍可有效测量 光纤光栅传感器的特点光

40、纤光栅传感器的特点土木行业：水立方健康安全监测土木行业：水立方健康安全监测电力行业：风力发电叶片健康安全监测电力行业：风力发电叶片健康安全监测航空：直升机旋翼健康安全监测航空：直升机旋翼健康安全监测石化：海洋平台冰激安全健康监测石化：海洋平台冰激安全健康监测轨道交通：轨道交通：ArboisArbois铁路地基变形监测铁路地基变形监测光纤光栅传感器的应用光纤光栅传感器的应用石化行业：储油罐温度监测石化行业：储油罐温度监测轨道交通：地铁健康安全监测1、直流电源线支架安全监测；2、隧道壁压力监测 ；3、隧道内的火灾监测；4、高压动力电缆温度监测 油田：地下油井健康安全监测1、压力监测；2、温度监测；

41、光纤光栅传感器的应用光纤光栅传感器的应用利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤偏振调制利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤偏振调制传感器。传感器。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。等物理效应进行调制。 普克尔效应 法拉第效应 光弹效应 ：某些晶体材料在外加电场作用下产生各向异性的折射率变化。 n g gE+kE2 （一次电光效应一次电光效应,Pockels，1893）：）：当电场加在晶体上时，折射率的变化是线性的（在不对称中心的晶体中）如：ADP（磷酸二氢铵）、KDP（磷酸二氢钾）、KD*P（磷酸二氘钾） n g gE沿Z

42、轴加电场时,222222=+zyxnznynxezzzoyzooxnnnEnnnEnnn633063322ggg63 电光系数, Ez电场强度ZEno633gExampleyxyx加电压前加电压前P1P2 lP1P2 lUppgpgppUUUnlEnlnnzyx6330633022)(2不加电压不加电压加电压加电压P1P2 lppgpgppUUUnlEnlnnzyx4130633022)(2U加加电压电压41302gppnU 图是利用普克耳效应的光纤电压传感器示意图。调制器晶体可用硅酸铋（BSO）晶体。传感器工作过程是，从激光器射出的光由起偏器变为平面偏振光，再入射到调制器电光晶体上。由于电光

43、效应的作用，从电光晶体射出的光变为椭圆偏振光，经14波片获得一光学偏置，最后经检偏器输出。输出的光强为：是晶体中两正交平面偏振光的相位差。ppgpUUUn413002 某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角旋转角 与光在物质中通过的距离与光在物质中通过的距离l和磁场强度和磁场强度H成正比成正比(2) 法拉第效应（法拉第效应（磁光效应，磁致旋光磁光效应，磁致旋光）ElBlBVq V V费尔德常量费尔德常量，1154Tm 1010法拉磁致旋光效应l法

44、拉第效应法拉第效应的解释的解释1825年，菲涅耳对旋光现象提出了一种解释。按照他的假设,可以把进入旋光介质的线偏振光看作是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的组合。EELER菲涅耳认为：在各向同性介质中, 线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度 R 和 L 相等,因而其相应的折射率 nRc /R 和 nLc /L相等。而在右、左旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同,其相应的折射率也不相等。LLRR/ncnc如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为 l 的旋光介质后,相位滞后分别为RRRLLL2 (120)2k ln lk ln lRRRLLL2 (120)2k ln lk ln llnnLRLR)(2

45、plnnLR)(2pq对于每一种给定的物质，法拉第旋转方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关（不管传播方向与磁场同向或者反向）。在磁场方向不变的情况下，光线往返穿过磁致旋光物质时，法拉第旋转角将加倍。利用这一特性，可以使光线在介质中往返数次，从而使旋转角度加大。 偏振面的旋转方向与外磁场方向的关系偏振面的旋转方向与外磁场方向的关系 偏振光一次通过法拉第材料转过角度为q，而沿相反方向返回时将再旋转q角。因此，两次通过法拉第材料后总的旋转角度为2q 。这样，为了获得大的法拉第效应，可以使光多次穿过材料，若光束在其间反射N次后出射，那么有效旋光厚度为Nl，偏振面的旋转角度提高N倍。 N N q lB激光器起偏器I光纤载流导线光探测器处理信号检偏器IVBlqrIBp2应力材料在力学形变时,材料会变成各向异性。这种应力感生的双折射现象称为光弹效应。应力应力各向异性各向异性n各向不同各向不同kpSFknnoe偏振片偏振片1lp偏振片偏振片2光源光源e