光纤传感检测

1、光纤传感检测1第1页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤传感器始于1977年，目前已进入研究与应用并重阶段。主要优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。频带宽、动态范围大。可用很相近的技术基础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，易于实现系统的遥测和控制可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。2第2页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一一次涂覆层纤芯 包层套层一次涂覆层 包层 纤芯 套层光纤波导的结构多层介质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，

2、材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。2、包层：直径100-200um，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。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。7.1 光纤传感器的基础3第3页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤的光波导原理n1n2n2n2n1光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为：4第4页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一渐变光纤的导光原理示意图在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。5第5页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 按光纤组成材料划分 多

3、组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（SIF）光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（GIF） W型光纤 单模光纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ）光纤的分类6第6页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤的纤芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）阶跃光纤 （b） 渐变光纤 （c）W型光纤 7第7页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光

4、纤的类型8第8页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一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（NA），即：光纤中的重要参数 1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射角为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。光纤参数数值孔径的意义？9第9页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一2、光纤中的模式(Fiber Mode) 电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而

5、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。光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。（1）横电波TEmn：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m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁场分量的电磁波。（3）混合波HEmn或EHmn: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。无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。光纤中的重

6、要参数 10第10页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一3、光纤的归一化频率V 归一化频率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。其定义为：光纤中的重要参数 其中， r是光纤的纤芯半径； 是光纤的工作波长； n1和n2 分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 真空中的波数； 光纤的相对折射率差。归一化频率越大，光纤所允许传播的模式越多，当V2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。11第11页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一4、传播常数 传播常数是描述光纤中各模式传输特性的 一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决

7、定。光纤中的重要参数 当 k0n2 时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模截止。当= k0n2时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。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12第12页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一归一化传播常数/k0与归一化频率V的关系曲线13第13页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一模式特性 当0V2.405时,光纤中除主模（或基模）HE11 模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。单模传输

8、条件多模传输的数目对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为 对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为14第14页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一高阶模的归一化截止频率Vc=2.405时的波长。5、截止波长c15第15页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤的损耗特性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，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示： (单位：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。损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光

9、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。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。16第16页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一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17第17页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤的色散特性色散的定义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。色散主要影

10、响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。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。18第18页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 波导色散和

11、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的影响。19第19页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器（Function Fiber Optic Sensor），又称FF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特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。另一类是非功能型传感器（Non-Function Fi

12、ber Optic Sensor），又称NF型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。7.1.4 光纤传感器的分类20第20页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一功能型光纤传感器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，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。非功能型光纤传感器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，光纤只起传光作用。21第21页，共114页，2022年，5月20日，17

13、点51分，星期一光纤传感器的分类列表22第22页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一7.2 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23第23页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一1、强度调制：IDttIS信号入射光强度调制光源出射光输出ID光探测器强度调制原理IOtIit24第24页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一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。调制原理：25第25页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，

14、星期一光是一种横波。光振动的电场矢量E 和磁场矢量H 和光线的传播方向s 正交。按照光的振动矢量E、H 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。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26第26页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一普克尔效应（电光效应）当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶体

15、中，两正交的偏振光的相位变化为其中：n0 正常折射率；re 电光系数；U 加在晶体片上的横向电压； 光波长；L 光传播方向晶体长度；d 电场方向晶体厚度。Pockels效应及应用27第27页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一法拉第效应（磁光效应）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E旋转角与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即式中V为物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如图所示。28第28页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力，被

16、施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为： 式中：K 物质光弹性常数；P 施加在物体上的压强；L 光波通过材料的长度。此时出射光强为：光弹效应示意图29第29页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一偏振调制的解调原理渥拉斯顿棱镜解调原理 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，光线垂直入射到No.1，光束不分开，但o光1和e光1速度不同。到达No.2时，光轴垂直，o光1和e光1的角色互换，o光2对应的折射率从n0到ne，e光2对应的折射率从ne到n0，nen0，所以两光束分开。偏振

17、角为。光束传播示意图eooe45o30第30页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 偏振角与光分量的关系： 偏振角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。由偏振角值可推知需要传感的物理量 两光分量对应的振幅分别为：31第31页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一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，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。3、相位调制应力应变效应：光纤长度变化光弹效应:光纤芯折射率变

18、化磁致伸缩效应：光纤芯直径变化声光效应光热效应萨格纳克(Sagnac)效应检测原理相位解调原理：光外差检测原理32第32页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：马赫-泽德尔(Mach-Zender)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实现的干涉型光纤传感器。33第33页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一1. 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度时，射到光检测器

19、上的两相干光束即产生干涉，且相位差为：传感器34第34页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一传感器2. 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。对干涉影响小。35第35页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一3. 萨格纳克干涉仪激光器输出的两束光沿着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,它们重新合路后再入射到光检测器,同时一部分光又返回到激光器。当平台沿垂直于光束平面旋转时，两方向相反的光束到达检测器的延迟不同，从而产生相位变化。若平台以角速度顺时针旋转

20、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：通过检测干涉条纹的变化，就知道旋转速度，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。36第36页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一4. 法布里-珀罗干涉仪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：37第37页，共114页，2022年，5月20日，17

21、点51分，星期一5. 光纤干涉仪传感器A: 迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪；c: 塞格纳克干涉仪； d：法布里-珀罗干涉仪敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射镜38第38页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一4、频率调制及解调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物理量。目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。如图所示,P点物体的运动将S点光源发出的光散射到Q点被观察到，设光频为f1，由双重多普勒频移原理可得：解调过程：与相位调制的解调相同，需要两束光干涉，在检测器上产生差频，光电流经频谱分析器处理，求出频率变化。39第39页，共114页，202

22、2年，5月20日，17点51分，星期一激光多谱勒光纤测速系统激光沿着光纤入射到测速点A上，然后后向散射光与光纤端面的反射或散射光起沿着光纤返回，其中纤维端面的反射或散射光是作为参考光使用。于是信号光与参考光起经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出测量结果。同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。40第40页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一7.3 光纤传感器实例7.3.1 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至接收光纤束的光强度的变化

23、来测量被测表面距离的变化。所使用光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤一般有四种分布:(a)随机分布;(b)半球形对开分布;(c)共轴内发射分布;(d)共轴外发射分布，如图所示。41第41页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一典型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区I,输出信号强度增加得很快,这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区II,信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。反射式光纤位移传感器的原理如右图。1、探头紧贴被测件时，无光接收没有电信

24、号。2、被测表面逐渐远离探头时，有一个线性增长的输出信号。有一最大输出值“光峰点”。3、继续远离时，输出信号越来越弱，与距离平方成反比。42第42页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一43第43页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一44第44页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一内调制式位移传感器 利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制

25、。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器.45第45页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期性微弯时，传播常数为 和 的模之间就会产生光功率的耦合。波纹板周期的长度 与传播常数间满足下式：46第46页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一HeNe激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有涂覆层，数值孔径等于0.22。 在变形器前5cm长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包层模中的光。47第47页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一变形器由两块有机玻

26、璃波纹板组成，每块波纹板共有5个波纹，每个波纹的长度为3mm。变形器的一块波纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态位移。48第48页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中的光信号。该检测器的6个内表面安装着6个太阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表读数、而交流输出用锁相放大器检测并由记录仪记录放大器的输出。49第49页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一相位干涉式位移传感器 Mach-Zehnder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，

27、其工作原理如图50第50页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 51第51页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折射率n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层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏”特性，而参考光纤涂复材料对传感量具有“去敏”特性。这样可以有效提高检测信噪比。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，如磁场、电流、电压等的检测。52第52页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤液

28、面位移传感器光纤液面位移传感器还可作为浓度计测量液体浓度，液位传感器可用于易燃、易爆场合，但不能检测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠性物质。LEDPD12传感器光纤探头结构53第53页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一传感器光纤探头的不同结构防液滴附着的方法 反射膜 突出物光纤耦合器单光纤液位传感器结构光纤光纤棱镜斜面反射式光纤液位传感器54第54页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一浸液自聚透镜光纤水银接收光源遮光板双金属片简单类型的光纤温度传感器1、水银式光纤温度开关2、遮光式光纤温度计55第55页，共114页，2022年，5月20日，17点5

29、1分，星期一原理：半导体材料的光吸收与禁带宽度Eg有关，光子能量大于Eg的光被吸收，光子能量等于Eg的是半导体吸收的“红限波长g”，被称为半导体吸收端，在吸收端，波长的增加半导体吸收呈线性递减特性，超过这一波长范围的光几乎不产生吸收。当温度增加时，禁带宽度变窄，红限波长线性地变长，光吸收端线性地向长波方向平移。 这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。半导体光吸收型光纤温度传感器图 光吸收温度特性56第56页，共

30、114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一图1 半导体光吸收型光纤温度传感器光纤温度传感器结构如图。光纤环氧胶半导体反射膜图2 一种光纤温度单端式探头57第57页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一反射式光纤压力传感器这种传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的，其结构如图所示。光源发出的光经发射光纤传输并投射到膜片的内表面上,反射光由接收光纤接收并传回光敏元件。58第58页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一DSFF变形器光纤A1n0n2n123微弯光纤压力传感器光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤

31、中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中. 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。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、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。59第59页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一线偏振光光源起偏器/4波片Pyrex玻璃检偏器p圆偏振光椭圆偏振光p光纤G-lens起偏器波片晶体检偏器光弹式光纤压力传感器60第60页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一全内反射光纤压力传惑器61第61页，共114页，2022年

32、，5月20日，17点51分，星期一微弯曲光纤水声传感器62第62页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一动态压力传感器 这种压力传感器的灵敏度极高，有很大的实用价值尤其适用于微声压的测量，对测量空间尺寸受限场合应用更是优越。它的工作带宽从直流可到20 MHz.63第63页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一偏振调制光纤压力和水声传感器64第64页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一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间来确定光经过的距离。用光纤做测量光路，传

33、输时间法可适用于任意弯曲光路及其变化的测量。65第65页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一系统的振荡周期为式中L是光纤长度；Ng=c/Vg是光纤群速度折射率；el是放大器、鉴别器和导线产生的电延迟时间，66第66页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一如果忽略材料色散，即NgN，由弹性光学理论可以求得式中Pij是平均应变光弹系数；是材料的泊松比。67第67页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤表面粗糙度传感器 用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它对光信导的传输特性。68第68页，共114页，2022年，5月20日，17点51分

34、，星期一69第69页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一70第70页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一71第71页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤加速度传感器 加速度有各种形式如直线加速度，曲线加速度及振动加速度等。光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度。72第72页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一振动加速度传感器原理当低频振动时，x与惯性力成比例即与物体的振动加速度成比例。 当振动频率提高到振动子的固有振动频率时，产生共振。这时距离x与加速度不存在比例关系。如果振动频率再进一步提高重物就停

35、止振动，呈现相对静止状态。只有位移。73第73页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一相位调制光纤加速度传感器74第74页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动，那么在加速该物体所需的作用力F的作用下，上面的一段光纤伸长L，下面的光纤则缩短L。这一过程可表示为式中A是光纤的横截面积。 T是每根光纤中拉应力变化的幅度；系数2是由于存在两根伸长和缩短光纤。E是光纤的杨氏模量。75第75页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 光束通过光程L的相移可用下式表示76第76页，共114页，2022年，5月2

36、0日，17点51分，星期一77第77页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一78第78页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤振动传感器 光纤振动传感器常用于现场监测，测量的频率范围为20200Hz，测量的振幅为数微米到百分之几微米，79第79页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一相位调制光纤振动传感器80第80页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一81第81页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。如果这个磁场是由长

37、直载流导线产生的，根据安培环路定律：偏振调制型光纤电流传感器式中：I-载流导线中的电流强度；R-光纤缠绕半径。根据法拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：由检测及信号处理后得输出信号为：V为费尔德常数；l为受磁场作用光纤长度，N为光纤圈数。 测量范围：0-1000A82第82页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有敏感点均分布于一根传感光纤上。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一种是以光波长检测为基础的波长域分布式。 时域分布式光纤传感器的物理基础是光学

38、时域反射技术（Optical Time-domain Reflectometry），简称OTDR。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当分布式光纤传感器83第83页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 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OTDR原理图。基于后向散射光检测的OTDR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84第8

39、4页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一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OTDR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OTDR方法实现对光纤的分布式测量。 相对回波光功率初始脉冲作用点终端费涅尔回波长度Z后向散射光检测波形示意图 85第85页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一* 光纤光栅传感器光纤光栅传感器(FBG)是利用 Bragg波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。 86第86页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤光栅工作原理1 2 n芯层包层

40、包层折射率 n2芯层折射率 n1感光折射率 n12 n87第87页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一芯层包层+1级-1级紫外掩模写入法相位掩模板88第88页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一2 、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出：这里UV是紫外光源波长， 是两相干光束之间的夹角。89第89页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期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，如果宽带光波在光栅中传播时，入射光能在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，光纤光栅就起到反射镜的作用

41、。这类调谐波长反射现象首先是由威廉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，其反射条件被称为布喇格条件。在Bragg光栅中，反射的中心波长由下式确定：90第90页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 其中 neff 是光纤芯区有效折射率。 是光纤光栅的栅距即周期。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：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。91第91页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一设两列波沿着同一方向传播

42、，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配条件： 其中为光栅周期， 则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。 在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从左向右传播，如果满足条件：92第92页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一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。设0=2neff/0，其中0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光波将发生反射，这个波长0就称作布喇格波长。93第93页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光纤光栅的栅距可通过改变写入光栅的两相干紫外光束的相

43、对角度得到调整，从而可以制作出不同反射波长的Bragg光栅。94第94页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一 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变化，从而产生光栅 Bragg 信号的波长位移 ，通过监测 Bragg 波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。 由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：这里B是光栅布拉格反射波长，B为在外界应力作用下光栅布拉格反射波长移动量，是光纤轴向应变，可表示为：95第95页，共114页，2022年，5月20日，17点51分

44、，星期一在实际应用中， 是个很小的量，为此引入应变量的10-6，作为光纤光栅度量单位。96第96页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一FBG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。 97第97页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一光连接器调制解调器显示仪表计算机 使用现场控制室内传输光缆连接光缆FBG探头光纤光栅监测报警系统结构示意图98第98页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星

45、期一3 、光纤布喇格光栅解调原理光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹配光纤光栅解调法。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解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检测到的信号99第99页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一选用一个与传感光纤光栅 FBG1 参数相近的光纤光栅 FBG2 （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。 100第100页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一当传感光纤光栅

46、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分相对应的范围内的光波才可能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比 101第101页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一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强是检测光纤光栅 FBG1和匹配光纤光栅FBG2两个光谱函数的卷积。随着 FBG1上的微扰，在 FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定光强度的光信号。102第102页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一F-P腔波长滤波解调原理法布里珀罗腔(F-P腔)的光学原理是多光束干涉，在一定波长范围内，若以平行光入射到F-P腔,则只有满足相干条件的某些特定波长产生相干极大，原理如图1所示,由于光的入射产生了多个反射光束1，2，3，.和多个透射光束，.，其透射光强: 其中为相邻两光束相位差 103第103页，共114页，2022年，5月20日，17点51分，星期一当相位差=2k(k=1,2,3.)时，入射光完全透射，透射光最强。因此解调装置多采用调谐腔长的方法，在透射光强达到最大值时可求出入射波长。 104第104页，共114页，2