第七章光电设计

1、1光纤传感器始于光纤传感器始于19771977年，目前已进入研究与应用并年，目前已进入研究与应用并重阶段。重阶段。主要优点：主要优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。现不带电的全光型探头。频带宽、动态范围大频带宽、动态范围大。可用很可用很相近的技术基础相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器构成传感不同物理量的传感器便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测系统的遥测和控制和控制可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境恶劣

2、环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。2一次涂覆层纤芯 包层套层一次涂覆层 包层 纤芯 套层光纤波导的结构光纤波导的结构多层介质结构：多层介质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。掺杂微量元素。2、包层：直径、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。，折射率略低于纤芯。3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。3 石英石英系列光纤（以

3、系列光纤（以SiOSiO2 2为主要材料）为主要材料） 按光纤组成材料划分按光纤组成材料划分 多多组分光纤（材料由多组成分组成）组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯液芯光纤（纤芯呈液态）光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤塑料光纤（以塑料为材料）（以塑料为材料） 阶阶跃型光纤（跃型光纤（SIFSIF） 光纤光纤种类种类 按按光纤纤芯折射率分布划分光纤纤芯折射率分布划分 渐变渐变型光纤（型光纤（GIFGIF） W W型光纤型光纤 单模光纤单模光纤（SMFSMF） 按按光纤传输模式数划分光纤传输模式数划分 多模光纤多模光纤（MMF MMF ）光纤的分类光纤的分类4为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径

4、角的正弦值为光为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（纤的数值孔径（NANA），即：），即：光纤中的重要参数光纤中的重要参数 2sin1222100nnnnNA1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）52 2、光纤中的模式、光纤中的模式(Fiber Mode)(Fiber Mode) 电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程的特定的离散的解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传的特定的离散的

5、解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不同的振幅和传播速度。同的振幅和传播速度。光纤中可能传播的模式有光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波横电波、横磁波和混合波。（1）横电波）横电波TEmn：纵轴方向只有磁场分量；横截面上有：纵轴方向只有磁场分量；横截面上有电场分量的电磁波。中下标电场分量的电磁波。中下标m表示电场沿圆周方向的变化周表示电场沿圆周方向的变化周数，数，n表示电场沿径向方向的变化周数。表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波）横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有

6、磁纵轴方向只有电分量；横截面上有磁场分量的电磁波。场分量的电磁波。（3）混合波）混合波HEmn或或EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当无论哪种模式，当m和和n的组合不同，表示的模式也不同。的组合不同，表示的模式也不同。63 3、光纤的归一化频率、光纤的归一化频率V V 归一化频率归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。少而引入的一个特征参数。其定义为：其定义为：222102221rnkNArnnrV其中，其中， r是光纤的纤芯半径；

7、是光纤的纤芯半径； 是光纤的工作波长；是光纤的工作波长； n1和和n2 分别是光纤的纤芯和包层折射率；分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 真空中的波数；真空中的波数； 光纤的相对折射率差。光纤的相对折射率差。74 4、传播常数、传播常数 传播常数传播常数是描述光纤中各模式传输特性的是描述光纤中各模式传输特性的 一个参数，一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。1020nknk光纤通信中信息就是由传导模传送的。传导模的传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即cos2cos101nkn8截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一截止波长是单模光

8、纤特有的参数，对应于第一高阶模的归一化截止频率高阶模的归一化截止频率V Vc c=2.405=2.405时的波长。时的波长。5、截止波长截止波长 c22212221nVrnnVrcxc9光纤的损耗特性光纤的损耗特性损耗的定义损耗的定义当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示：表示：oiPPLlg10 ( (单位：单位：dB/km)dB/km) 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的

9、选择。损耗的种类损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。10光纤的损耗光纤的损耗损耗散射损耗制作缺陷折射率分布不均匀芯-涂层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射拉曼散射吸收损耗本征吸收紫外吸收红外吸收杂质离子的吸收过渡族金属离子OH- 离子弯曲损耗11色散的定义色散的定义色散

10、的种类色散的种类光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小色散的大小常用时延差表示常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。传输同样距离而产生的时间差。模式色散：模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色

11、散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。材料色散：材料色散：材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散：波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。12 波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。梯度型光纤中模式色散大为减少。 而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效减小材料色散

12、的影响。13光纤传感器一般可分为两大类：光纤传感器一般可分为两大类：一类是一类是功能型传感器功能型传感器（Function Fiber Optic Sensor），又称），又称FF型型光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是特性，光纤既是传光传光元件，又是元件，又是敏感敏感元件。元件。另一类是另一类是非功能型传感器非功能型传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor），），又称又称NF型型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光

13、信号的光纤仅作为光信号的传输介质传输介质。7.1.4 光纤传感器的分类14这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能，这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到光纤不仅起到传光作用传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等偏振态等光特性得到调制光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。，调制后的信号携带了被测信息。传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光功能是由其它光电转换元件实

14、现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。纤只起传光作用。15光纤传感器的分类列表光纤传感器的分类列表167.2 光纤的光波调制技术强度调制 相位调制 偏振调制 频率调制 波长调制171、强度调制：IDttIS信号信号入射光入射光强度调制强度调制光源光源出射光出射光输出输出ID光探测器光探测器强度调制原理强度调制原理Iit18强度调制强度调制是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。测量的。AA221FA调制原理：调制原理：19光是一

15、种横波。光振动的电场矢量光是一种横波。光振动的电场矢量E E 和磁场矢量和磁场矢量H H 和光线的传和光线的传播方向播方向s s 正交。按照光的振动矢量正交。按照光的振动矢量E E、H H 在垂直于光线平面内矢在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和量轨迹的不同，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。象的信息。2、偏振调制调制原理： 普克尔Pockels效应(电光效应) 法拉第磁光效应 光弹效应解调原理：检偏器20偏振调制的解调原理渥拉斯顿棱

16、镜渥拉斯顿棱镜解调原理解调原理 解偏过程：如图为偏振光分束器，解偏过程：如图为偏振光分束器，方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线垂直入射到垂直入射到No.1，光束不分开，但，光束不分开，但o光光1和和e光光1速度不同。速度不同。到达到达No.2时，光轴垂直，时，光轴垂直，o光光1和和e光光1的角色互换，的角色互换，o光光2对应的折射率对应的折射率从从n0到到ne，e光光2对应的折射率从对应的折射率从ne到到n0，nen0，所以两光束分开。偏振角，所以两光束分开。偏振角为为。2光线1光线光信号被调制的光束传播示意图光束传播示意图eooe45o光信号被调制的212121

17、2sinIIII4cos:2A光分量振幅轴4sin:1A光分量振幅轴 偏振角与光分量的关系：偏振角与光分量的关系：1轴2轴OAA参考矢量44sinA4sinA 偏振角偏振角与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束的光强有关系。由偏振角的光强有关系。由偏振角值可推知需要传感的物理量值可推知需要传感的物理量 两光分量对应的振幅分别为：两光分量对应的振幅分别为：22相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，感元件的折射率或传播常数发生变化

18、，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。3、相位调制应力应变效应：应力应变效应：光纤长度变化光弹效应光弹效应: :光纤芯折射率变化磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：光纤芯直径变化声光效应声光效应光热效应光热效应萨格纳克萨格纳克(Sagnac)(Sagnac)效应效应检测原理检测原理相位解调原理：相位解调原理：光外差检测原理光外差检测原理23典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：马赫-泽德尔(Mach-Zende

19、r)干涉仪法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪迈克尔逊(Michelson)干涉仪萨格纳克(Sagnac)干涉仪常用干涉仪常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。实现的干涉型光纤传感器。241. 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长干涉原理：当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：lk 02为两相干光的光程差数；为光在空气中的传播常lk20传感器传感器25传感器2.

20、马赫泽德尔干涉仪马赫泽德尔干涉仪由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器是产生干涉。测器是产生干涉。优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。涉影响小。263. 萨格纳克干涉仪萨格纳克干涉仪激光器输出的两束光沿着激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输镜构成的闭合光路反方向传输, ,它们重新合路后再入射到光检它们重新合路后再入射到光检测器测器, ,同时一部分光又返回到同时一部分光又返回到激光器。激光器。当平台沿垂

21、直于光束当平台沿垂直于光束平面旋转时，两方向相反的光平面旋转时，两方向相反的光束到达检测器的延迟不同，从束到达检测器的延迟不同，从而产生相位变化。而产生相位变化。若平台以角速度若平台以角速度顺时针旋转时，则在顺时针方向传播的顺时针旋转时，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：cAlk008通过检测通过检测干涉条纹的变化干涉条纹的变化，就知道旋转速度，就知道旋转速度，它是目前许它是目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。为两相干光的光

22、程差l274. 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪传感器传感器它是由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是大于95%。假定反射率为95%,那么在任何情况下,激光器输出光的95%将朝着激光器反射回来,余下的5%的光将透过平面镜而进入干涉仪的谐振腔内。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光强度的变化为：50 3略有倾角平面镜外表面不平行， 22140sin12RRII285. 光纤干涉仪传感器光纤干涉仪传感器A: 迈克尔逊干涉仪；迈克尔逊干涉仪；b：马赫：马赫-泽德干涉仪；泽德干涉仪；c: 塞格纳克干涉仪；塞格纳克干涉仪； d：法布里：法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪敏感器敏

23、感器敏感器敏感器部分透射反射镜294、频率调制及解调利用外界因素改变光的频率，通利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界过检测光的频率变化来测量外界物理量。物理量。目前主要是利用光学多普勒效应实现目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。如图所示频率调制。如图所示,P点物体的运动点物体的运动将将S点光源发出的光散射到点光源发出的光散射到Q点被观点被观察到，设光频为察到，设光频为f1，由双重多普勒频，由双重多普勒频移原理可得：移原理可得：SQP2112coscos1cvff解调过程：解调过程：与相位调制的解调相同，需要两束光干涉，在检与相位调制的解调相同，需要两束光干涉，在检测器

24、上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。测器上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。307.3 光纤传感器实例7.3.1 光纤位移传感器光纤位移传感器反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。所使用所使用光纤束的特性光纤束的特性是影响这种类型光是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤探头的端部光纤探头的端部, ,发射光纤与接收光纤发射光纤与接收光纤一般有四

25、种分布一般有四种分布:(a):(a)随机分布随机分布;(b);(b)半球半球形对开分布形对开分布;(c);(c)共轴内发射分布共轴内发射分布;(d);(d)共共轴外发射分布，如图所示。轴外发射分布，如图所示。mmd127. 031典典型位移输出曲线如图所示。在型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区输出曲线的前坡区I,I,输出信号强度输出信号强度增加得很快增加得很快, ,这一区域可以用于微这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区米级的位移测量。在后坡区II,II,信信号的减弱约与探头和被测表面之间号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比的距离平方成反比, ,可用于距离较可用于距离较远

26、而灵敏度、线性度和精度要求不远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。高的测量。反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器的原的原理如右图。理如右图。1 1、探头紧贴被测件时，无光接探头紧贴被测件时，无光接收没有电信号。收没有电信号。2 2、被测表面逐渐远离探头时，、被测表面逐渐远离探头时，有一个有一个线性增长线性增长的输出信号。有的输出信号。有一最大输出值一最大输出值“光峰点光峰点”。3 3、继续远离时，输出信号越来继续远离时，输出信号越来越弱，与越弱，与距离平方成反比距离平方成反比。III5 . 0132 相位相位干涉式位移传感器干涉式位移传感器 Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广

27、泛的一种干涉仪。光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。可以用于测量位移，其工作原理如图可以用于测量位移，其工作原理如图33 34 外施力可以直接产生传感臂光纤长度外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径和直径d变化以及折变化以及折射率射率n变化。变化。为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一层特殊材料。传感臂上涂复材料具有层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏增敏”特性，而参考特性，而参考光纤涂复材料对传感量具有光纤涂复材料对传感量具有“去敏去敏”特性。这样可以有效提特性。这样可以有效提高检测信噪比。高检测信噪比。当光纤表面涂复对

28、其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量，材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量，如磁场、电流、电压等的检测。如磁场、电流、电压等的检测。35D DS SF FF F变形器变形器光纤光纤A A微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在光纤则发生许多微弯，这时

29、在纤芯中传输的光在微弯处有部纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中分散射到包层中. . 光纤微弯增大，散射掉的光随之光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应减小。增加，纤芯输出光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移声压，或检测由压力引起的位移等物理量。等物理量。36光纤应变传感器光纤应变传感器采用脉冲传输时间法可以测量自由空间光路采用脉冲传输时间法可以测量自由空间光路的长度。这种方法通过测量光信号到达靶的长度。这种方法通过测量光信号到达靶体又反射回来所占用的时

30、间来确定光经过体又反射回来所占用的时间来确定光经过的距离。的距离。用光纤做测量光路，传输时间法可适用于任用光纤做测量光路，传输时间法可适用于任意弯曲光路及其变化的测量。意弯曲光路及其变化的测量。37分布式光纤传感器38 光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。图给出了一种基外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。图给出了一种基于后向散射光检测的于后向散射光检测的OTDR原理图。原理图。基于后向散射光检测的基于

31、后向散射光检测的OTDROTDR原理图原理图 脉冲激光光源后向散射回波传 感 光纤3dB光电检测与信号处理系统39由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过的变化，可以通过OTDR方法独立地探测出来，而不受其方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响，因此可以采用他点散射信号改变的影响，因此可以采用OTDR方法实现方法实现对光纤的分布式测量。对光纤的分布式测量。 相对回波光功率初始脉冲初始脉冲作用点作用点终端费涅尔回波终端费涅尔回波长度长度Z后向散射光检测波形示意图后向散射光检测波形示意图 40* 光纤光栅传感器光纤光栅

32、传感器光纤光栅传感器光纤光栅传感器(FBG)是利用是利用 Bragg波长对温波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。光纤传感器。 414243 2 、光纤布喇格光栅传感原理、光纤布喇格光栅传感原理 光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出：出：这里UV是紫外光源波长， 是两相干光束之间的夹角。44 由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响。因此，如果宽带光小段光谱产生影响。因此，如果宽带光波在光栅中传播时，入射光能在相应的波在光栅中传播时，入射光能在相应的频率上

33、被反射回来，其余的透射光谱则频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作用。这类调谐波长反射现象首先是由威用。这类调谐波长反射现象首先是由威廉廉布喇格爵士给出解释的，因而这种光布喇格爵士给出解释的，因而这种光纤光栅被称为布喇格光纤光栅，其反射纤光栅被称为布喇格光纤光栅，其反射条件被称为布喇格条件。在条件被称为布喇格条件。在BraggBragg光栅中，光栅中，反射的中心波长由下式确定：反射的中心波长由下式确定：45 其中其中 n neffeff 是光纤芯区有效折射率。是光纤芯区有效折射率。 是光纤是光纤光栅的栅距即周期。光栅的栅距即周期。

34、只有满足布拉格条件的光只有满足布拉格条件的光波才能被布喇格光栅反射。对上式取微分可得：波才能被布喇格光栅反射。对上式取微分可得：从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光纤光栅的或者neff的改变，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。46则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。具有相同波长的反射光中去。设设0=2neff/0，其中，其中0为输入光的波长，为输入光的波长，neff为波导为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光波将发生反射，这

35、个波长光波将发生反射，这个波长0就称作就称作布喇格波长布喇格波长。47光纤光栅的栅距光纤光栅的栅距可通过改变写入光栅的两可通过改变写入光栅的两相干紫外光束的相对角度得到调整，从而相干紫外光束的相对角度得到调整，从而可以制作出不同反射波长的可以制作出不同反射波长的BraggBragg光栅。光栅。48 光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅变化，从而产生光栅 Bragg 信号的波长位移信号的波长位移 ，通过监，通过监测测 B

36、ragg 波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。变化情况。 由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：栅布拉格反射波长移动，由下式给出：这里这里B是光栅布拉格反射波长，是光栅布拉格反射波长，B为在外界应力作用下光为在外界应力作用下光栅布拉格反射波长移动量，栅布拉格反射波长移动量，是光纤轴向应变，可表示为：是光纤轴向应变，可表示为：49在实际应用中，在实际应用中， 是个很小的量，为此引入应变量是个很小的量，为此引入应变量的的10-6，作为光纤光栅度量单位

37、。作为光纤光栅度量单位。50FBG所具有的多传感器复用能力，使它所具有的多传感器复用能力，使它在准分布测量、多参数组合测量等方面在准分布测量、多参数组合测量等方面显现了非常诱人的前景，因而在复合材显现了非常诱人的前景，因而在复合材料固化监控、大型土建结构内部应变分料固化监控、大型土建结构内部应变分布及大型电力设备内部温度分布状态监布及大型电力设备内部温度分布状态监控等方面具有广泛的应用前景。控等方面具有广泛的应用前景。 51光连接器调制解调器显示仪表计算机 使用现场使用现场控制室内控制室内传输光缆连接光缆FBG探头52 3 、光纤布喇格光栅解调原理、光纤布喇格光栅解调原理光纤布喇格光栅的解调有

38、多种方法，下面介绍光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹匹配光纤光栅解调法配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅检测信号的。匹配光纤光栅检测信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检测到的信号测到的信号53选用一个与传感光纤光栅选用一个与传感光纤光栅 FBGFBG1 1 参数相近的光纤光栅参数相近的光纤光栅 FBGFBG2 2 （匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反（匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反射谱部分重叠，即设置合适的偏置传感光纤光栅射谱部分重叠，即设置合适的偏

39、置传感光纤光栅的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。 54当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射谱在一定范围内漂移，如左图所示；解调光栅的谱在一定范围内漂移，如左图所示；解调光栅的反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应的范围内的光波才可能被反射，而重叠分相对应的范围内的

40、光波才可能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比部分的面积与反射谱的光强度成正比 55当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光强是检测光纤光栅的光强是检测光纤光栅 FBG1和匹配光纤光栅和匹配光纤光栅FBG2两个光谱函数的卷积。随着两个光谱函数的卷积。随着 FBG1上的微扰，上的微扰，在在 FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定光强的反射谱中可检测到相对应的一定光强度的光信号。度的光信号。56光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶段，它满光纤光栅分布传感

41、技术是先进传感技术发展的新阶段，它满足了现代结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的足了现代结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求。技术要求。 光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力强、集传感与传输于一体、易于制作和埋入等优点，强、集传感与传输于一体、易于制作和埋入等优点，而且光栅具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、而且光栅具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定位的优点。位的优点。 57特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，在光纤一端实现求刻写多个不同布喇格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测；同时能进一步集合成分布传感所有光栅信号的检测；同时能进一步集合成分布传感网络系统，可广泛应用于对工程结构的应力、应变、网络系统，可广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及内部裂缝、变形等参数的实时在线、温度等参数以及内部裂缝、变形等参数