光纤光栅传感系统

1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统目录目录1 1. .光的干涉和衍射光的干涉和衍射 2 2. .光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统 3 3. .光纤光栅传感光纤光栅传感系统组件介绍系统组件介绍光的干涉和衍射光的干涉和衍射光光的衍射的衍射n光的衍射是指光可以绕过障碍物继续传播的现象。n明显衍射条件：障碍物或孔的尺寸比波长小或者和波长差不多。阴阴影影屏幕屏幕屏幕屏幕光的干涉光的干涉激光束激光束双缝双缝屏屏屏上看到明暗相间的条纹屏上看到明暗相间的条纹n相干光条件：频率相同振动方向相同相位差恒定光纤光栅光纤光栅0m1mi12n光栅的实质：单缝衍射+多光束干涉单缝衍射产生角向强度分布。多光束干涉产生亮暗条纹

2、，且亮条纹成组出现。0m1mi12n光栅条件：尺度为波长量级的衍射单元产生多光束干涉短周期性光纤光栅长周期性光纤光栅光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统组件介绍光纤光栅传感系统组件介绍宽带光源宽带光源光源类型光源类型ELEDSLEDASETLS全称发光二极管超辐射二极管超荧光光纤光源可调谐激光光源带宽（nm）50-9030-10020-401-10输出功率（W）5-50100-20001000-10000100-10000其中：ASE是基于半导体激光器泵浦掺饵光纤半导体激光器泵浦掺饵光纤产生自发辐射光原理设计的，常用。n宽带光源的要求带宽宽功率大平坦

3、性好温度稳定性好表1 宽带光源具体参数性能指标光纤光纤耦合器耦合器n光纤耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。T形和星形可以看做功率分配器，可实现功率的分路和合路。定向耦合器只能用于分路器，常用的是3db耦合器。定向耦合器定向耦合器反向定向耦合器n分贝耦合度Cn定向性D光隔离器和光环形器光隔离器和光环形器光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，是一种光非互易非互易1传输的光无源器件。光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。n光隔离器n光环形器1非互易性指电磁波在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现不同的电磁损耗、相移等特性。光

4、环形器是多端口输入输出的非互易性器件。光信号只能沿规定端口顺序传输，例如1-2-3-1光纤光栅光纤光栅n光纤光栅是通过某种工艺方法，沿着光纤轴线方向形成某种规则的折射率分布，从而产生某种光谱或者色散效应。光纤光栅Bragg光栅周期小于1m；反射性；栅格周期常数；最广泛。倾斜光栅光栅平面与光轴呈一定角度；多个串联可构掺饵放大器。啁啾光栅周期不是常数；反射波长不同；泵浦滤波；回收掺饵放大器中多余的泵浦光。长周期光纤光栅周期大于1m；透射性；损耗性。Bragg光栅光栅入射光谱光强光强反射光谱透射光谱光强n光纤光栅的反射波长为Bragg光栅光栅n对于C波段（中心波长1550nm）中心波长的温度系数为1

5、0.3pm/中心波长的应变系数为1.209pm/光栅解调技术光栅解调技术波长解调技术光谱法传统光谱法新型光谱法干涉法非平衡迈克尔逊干涉法非平衡MZ干涉法萨格纳克干涉法滤波法边缘滤波法匹配滤波法可调谐FP滤波法光源波长可调谐法可调谐窄带光源法锁模调制解调法环形腔光纤扫描法阵图像传感解调法CCD测量法CMOS测量法InGaGs测量法光栅啁啾解调法强度解调相位解调n光纤解调技术：强度、相位、频率、波长等，光纤光栅用波长解调技术。干涉法干涉法n非平衡迈克尔逊干涉法n优点静态和动态测量响应速度快应变分辨率达5.5，灵敏度1.8n不足之处测量精度受环境影响较大n工作原理 反射光干涉仪输出信号，PZT驱动信

6、号相位计调PZT驱动信号两路信号频率相等相位计读数干涉法干涉法n非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉法n优点动态测量分辨率高n不足之处不适合绝对测量易受环境影响解调精度非线性滤波法滤波法n边缘滤波法 原理：将反射信号的波长漂移量转化为光功率变化量，输出光强的变化量与波长变化量成正比。体积光学线性滤波器n优点静态和动态测量，响应速度快抑制光源输出功率起伏影响n不足之处分辨率低，不易携带受体积滤波器准直稳定性影响滤波法滤波法n边缘滤波法n优点全光纤，便携分辨率提高n不足之处WDM具有偏振特性波长测量精度不高n改进在WDM之前加一个偏振控制器WDM边缘滤波器滤波法滤波法n匹配滤波法反射式反射

7、式透射式透射式n原理 FBG1反射光FBG2参考光栅调节压电驱动元件FBG1，2发射波匹配反射（透射）最大（最小）n优点静态和低频动态测量结构简单、成本低n不足之处测量范围有限，精度不高两光栅很难做到中心波长和谱宽严格重合滤波法滤波法n可调谐光纤F-P滤波法可调F-P（法布里珀罗）滤波器G1，G2（玻璃或石英）严格平行，内镀高反射膜，构成F-P腔L1，L2透镜腔长L等于入射光的半波长整数倍时，发生干涉现象，输出窄带光压电体改变腔长L，导致不同窄带光输出滤波法滤波法n可调谐光纤F-P滤波法n优点静态和动态测量相对和绝对测量体积小、价格低灵敏度高、信噪比高n不足之处受F-P性能影响n通过测量最大光

8、强值对应的扫描电压可解调出传感波长。光源波长可调谐扫描法光源波长可调谐扫描法n可调谐窄带光源解调n原理宽带光源光谱变成窄带光谱扫描传感光栅。当窄带光谱与传感光栅反射谱相同时，产生反射。探测器接收到的光功率最大。n性能最小波长分辨率2.3pm温度分分辨率0.2受F-P性能影响。阵图像传感器解调阵图像传感器解调法法nCCD测量法n图像传感器将入射到感光面上按空间分布的光信号转换成图像信号，通过图像处理的方法计算出光纤光栅传感器的波长变化值。nCCD图像传感、CMOS图像传感、InGaGs图像传感。反射光通过衍射光栅后在CCD上形成光谱图像。解析图像得出波长变化值。n优点静态和动态测量光能利用率高抗干扰n不足之处反射谱难处理光电光电探测器和处理器探测器和处理器依波段分类：紫外光波段有SiC、GaN等探测器，可见光波段有Si、InGaN等探测器，红外波段有Ge、InGaAs、GaAs等探测器，远