波长调制型光纤传感器课件

光纤传感器的分类功能型按照被调制的光波参数强度调制型相位/频率调制型波长调制型偏振调制型入射光波出射光波入射光波的特征参量：波长

外界因素：温度，压力，电磁场，位移光纤传感器的分类功能型入射光波出射光波入射光波的特征参量：波15.5波长调制机理引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型光纤光栅－功能型光纤光栅～反射镜应用领域－通信、传感、信息处理光通信器件半导体激光器、光纤激光器光纤放大器、滤波器波分复用/解复用器色散补偿传感光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线5.5波长调制机理引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化2传感应用光纤光栅传感器优点：抗干扰能力强，稳定、可靠传感头结构简单、体积小测量重复性好可实现绝对测量便于规模生产、成网不足：解调系统昂贵、动态范围受限传感应用光纤光栅传感器3光纤的光敏性历史1978年，加拿大，488nm1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG载氢掺锗光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩光敏性类型：I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃光栅的生命周期与稳定性光纤的光敏性历史4光纤光栅的主要类型光纤Bragg光栅(FBG)ncnclλB光纤光栅的主要类型光纤Bragg光栅(FBG)nc5光纤光栅的主要类型 cont’d长周期光栅LPG导模包层模，损耗宽带透射谱－增益平坦灵敏制造－振幅模板、逐点写入法CORECLADDING光纤光栅的主要类型 cont’d长周期光栅LPGC6光纤光栅的主要类型 cont’d啁啾光栅（chirped）结构：周期沿光纤轴向变化－线性、非线性宽带反射谱：可达100nm应用色散补偿：100km（at1550nm）的色散3.6cm宽带滤波器增益平坦CORECLADDING短长光纤光栅的主要类型 cont’d啁啾光栅（chirp7光纤光栅的主要类型 cont’d闪耀光栅结构：波矢方向与光纤轴有一夹角模式耦合：导模包层模/异阶导模相位光栅FBG某些点处的周期性被破坏附加相移解复用器MAIN-MODESIDE-MODECORECLADDINGlr，为光栅写入时，距相位模版远端的距离l1CORECLADDINGl1光纤光栅的主要类型 cont’d闪耀光栅MAIN-M8应变传感模型对于各向同性圆柱体－几点假设：光栅自身结构－纤芯+包层，忽略所有外包层的影响；石英光纤－理想弹性体，遵循虎克定律，且内部不存在切应变；紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光纤的各向同性特性；所有应力均为静应力，不考虑随时间变化弹光效应弹性变形横向应力作用纵向应力作用应变传感模型对于各向同性圆柱体－弹光效应弹性变形横向应力作用95.5波长调制机理灵敏度：11pm测量范围：1％频率响应：可达1MHz

应变测量布喇格波长

温度测量灵敏度：1C10pm测量范围：200C5.5波长调制机理灵敏度：11pm应变测量布喇10FBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移

NA=0.110 1 2 3 4 5光纤芯径（μm）相对灵敏度系数-0.0006-0.0004-0.0002NA=0.13NA=0.15NA=0.170NA=0.11FBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数11光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度的增加造成的灵敏度饱和现象结论：欲提高光纤光栅的应变灵敏度系数，必须选用低弹性模量、高泊松比的涂敷材料进行保护。选用高弹性模量、低泊松比的金属材料进行涂敷，才能达到提高光栅稳定性的目的

11.522.533.544.502 4 68 10×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(1011/(N/m2))ν＝0.483E＝0.39×109E＝10×109E＝72×109E＝100×10912634502 4 68 10×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(1011/(N/m2))E＝3.9×109ν＝0.98ν＝0.70v＝0.483ν＝0.17光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度12光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤光栅应力灵敏度系数的影响结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料1.051.061.071.0802 4 68 10×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))E＝86.5×109E＝90×109E＝110×109E＝120×1091.021.041.061.0802 46 810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))ν＝0.98ν＝0.7v＝0.483ν＝0.17光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤13非均匀涂敷对光栅光学性能的影响现象二次涂敷后－反射率随拉伸载荷的增加逐渐下降反射谱也逐渐加宽解释涂敷不均匀造成的chirp－非线性随机chirp光栅反射谱将发生随机展宽附加噪声解决方法涂敷材料选择严格控制二次涂敷工艺非均匀涂敷对光栅光学性能的影响现象14光纤光栅的保护和封装保护层对光纤光栅传感性能影响

裸纤光栅的应变极限仅7860με二次涂敷前后光纤光栅标准应力拉伸实验

宽谱光源光纤光栅光纤砝码■涂覆后－涂覆前1547.01546.91546.81546.71546.61546.51546.41546.31546.2010 20 3040 50纵向载荷（g）波长漂移（nm）光纤光栅的保护和封装保护层对光纤光栅传感性能影响宽谱光源光15FBG的应用模式单参量测量双参量测量准分布式多点测量FBG的应用模式单参量测量16采用不同的化学指示剂，可测量不同pH值范围的溶液。主要特征参量是空间分辨率和灵敏度在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料光纤传感器用于智能结构的一些问题应力灵敏度系数(1011/(N/m2))严格控制二次涂敷工艺保护层对光纤光栅传感性能影响按照被调制的光波参数灵敏度：1C10pmΔ＝pH－pK，(pH酸碱度，pK酸碱平衡常数)光纤Bragg光栅(FBG)高速测量(10msec间隔)光纤光栅增敏与去敏设计应力灵敏度系数(1011/(N/m2))4的范围内仪器具有0.不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度的增加造成的灵敏度饱和现象用单根高双折射光纤构成的光纤偏振干涉仪也属于积分式传感器抗干扰能力强，稳定、可靠FBG基本系统结构AQ4315ASE宽带光源FBG光环行器FB200波长监控器231FBG波长1波长2采用不同的化学指示剂，可测量不同pH值范围的溶液。FBG基本17FBG多点测量系统结构

高精度：

1pm/0.1℃,1pm/με

实时监测

传感器数量受限FBG多点测量系统结构高精度：1pm/0.1℃,1p18FBG特点

高速&

高分辨率测量

测量FBG反射谱的功率及中心波长

波长范围：1527～1567nm或

1568～1607nm

波长分辨率：<1pm

功率范围：

-4dBm

～-60dBm(0.1nmRBW)

测量速度：

测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz)

FBG传感器的最大数量：40

超紧凑&高可靠性

220X170X90mm,2Kg(包括供电)

设计高度可靠

(使用寿命

>10年)

工作温度：0to60℃FBG特点高速&高分辨率测量19分光仪

带有光二极管阵列(PDA)的多色仪结构

固定的衍射光栅保证仪器的鲁棒特性；

无活动部分-保证了仪器的紧凑性、高可靠性及高速测量。

波长分辨率

高分辨率

(<1pm)；对像素数据采用独特的内插算法来获得极高的分辨率

注：鲁棒特性是指一个系统在非理想环境下的工作能力，这种环境里可能有许多其他信号或干扰，或者收到的信号电平具有快速起伏的特征。光纤光栅光二极管阵列镜面透镜分光仪带有光二极管阵列(PDA)的多色仪结构注：光纤光栅光20测量实例高速测量

(10msec间隔)10Hz振动34Hz振动(实线:正弦曲线)测量实例高速测量(10msec间隔)10Hz振动34H21软硬件结构PC机上的图形用户界面（GUI）单色仪结构PhotoDiodeArrayfiberDiffractiongratingmirrorlens640-elmentsPhotoDiodeArrayASEsource(whitelightsource)FBGsensorcirculatorWavelengthmonitor2FBGsensor31软硬件结构PC机上的图形用户界面（GUI）PhotoDiod22PC机上的图形用户界面（GUI）PC机上的图形用户界面（GUI）23测量结果比较FB200

波长监控器VS波长计测量结果比较FB200波长监控器VS波长计24应用范围应用范围25应用范围复用数目应用范围复用数目26Δ＝pH－pK，(pH酸碱度，pK酸碱平衡常数)Wavelengthmonitor稳定性:比值运算，补偿系统误差半导体激光器、光纤激光器灵敏度：11pm应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))确定系统的运行情况、可靠性主要特征参量是空间分辨率和灵敏度选用高弹性模量、低泊松比的金属材料进行涂敷，才能达到提高光栅稳定性的目的波长分辨率：<1pm非均匀涂敷对光栅光学性能的影响引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化AnchorBodyII型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃640-elmentsPhotoDiodeArray光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。频率响应：可达1MHz测量速度：测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz)可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。高精度：1pm/0.应用范围实例●水位分布測定Δ＝pH－pK，(pH酸碱度，pK酸碱平衡常数)应用范围实例27机站布局测试站内部主机输电线周围状况

机站布局测试站内部主机输电线周围状况28应用实例应用实例29应用范围应用范围30应用范围应用范围31应用例Sensorforlandslidemovement(B-OTDR)Threeanchors(FBG)应用例Sensorforlandslidemoveme32应用范围日本女子大学百年館の外観（建設時）应用范围日本女子大学百年館の外観（建設時）33应用例－锚杆压力应变监测长期维护耐腐蚀寿命长锚键锚体的应变监测AnchortendonAnchorBodyFBG标准应变测试仪FBG应变传感器锚杆长40m应用例－锚杆压力应变监测长期维护AnchortendonA34波长调制型光纤传感器课件35光栅标准具Bragg波长：对于啁啾光栅：干涉条纹的占空比：光栅标准具Bragg波长：36荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型测量速度：测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz)缺点：只局限于检测一个很小截面内的某一参量的值。FB200波长监控器VS波长计Threeanchors光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。灵敏度：1C10pm光源：白炽灯、汞弧灯可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。人体血气的分析、pH值检测频率响应：可达1MHz光源：白炽灯、汞弧灯结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光纤的各向同性特性；保护层对光纤光栅传感性能影响高速测量(10msec间隔)入射光波的特征参量：波长I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0光纤传感器与智能材料传统材料强度要求现代材料“自检”的功能获得材料及结构的整体性、环境条件等信息确定系统的运行情况、可靠性确定剩余寿命提出“智能材料与结构”的概念在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型光纤传感器与智能材料37智能结构对传感器的特殊要求①微型化：保证传感器的埋入不会影响材料的性能（或影响很小）②高可靠：确保智能材料在整个“服役期”能正常有效地运行③网络化：以实现多路复用或空间分布式测量使传感系统可获取较大空间范围内的传感信息光纤传感器

智能结构对传感器的特殊要求38可用于智能结构的光纤传感器点式传感器光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。优点：传感头尺寸小<<结构尺寸缺点：只局限于检测一个很小截面内的某一参量的值。积分式传感器可用于测量一定范围内某一参量的平均值例如：光纤干涉仪（MZ干涉仪、Michelson干涉仪等）可用于测量光纤长度范围内应变或温度的平均值。用单根高双折射光纤构成的光纤偏振干涉仪也属于积分式传感器分布式传感器可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。主要特征参量是空间分辨率和灵敏度非线性效应分布式光纤传感器；高双折射光纤构成的分布式光纤压力传感器等可用于智能结构的光纤传感器点式传感器39光纤传感器用于智能结构的一些问题光纤传感器的复用由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成的一个复杂的传感系统与智能结构的兼容性在智能结构中的分布在智能结构中应用的工艺研究光纤传感器用于智能结构的一些问题光纤传感器的复用40传光型波长调制光纤传感器荧光、磷光光谱关键光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率光源：白炽灯、汞弧灯频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器稳定性:比值运算，补偿系统误差主要应用-医学、化学等领域。人体血气的分析、pH值检测指示剂溶液浓度的化学分析磷光和荧光现象分析黑体辐射分析法布里一帕罗滤光器等调制器被测参量分光计信号处理输出入射光纤出射光纤传光型波长调制光纤传感器荧光、磷光光谱调制器被测参量分光计信41光纤pH值传感器基本原理化学指示剂对被测溶液的颜色反应探头结构指示剂的透明度红色区域对pH值非常敏感在绿色区域却与pH值无关光纤pH值传感器基本原理42设计实例绿光(λ1＝558nm)作为调制检测光，红光(λ2＝630nm)作参考光L为试剂长度；Δ＝pH－pK，(pH酸碱度，pK酸碱平衡常数)稳定性条件光源和光探测器有足够高的温度稳定性准确度pH值在7-7.4的范围内仪器具有0.01的分辨率血液的pH值采用不同的化学指示剂，可测量不同pH值范围的溶液。设计实例绿光(λ1＝558nm)作为调制检测光，红光(λ2＝43光纤磷光传感器原理:稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变测量方法：频谱不同的光电二极管0.1℃的分辨率，准确度为ｌ℃滤光片光纤磷光传感器原理:稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变44传感头设计传感头设计45黑体温度计非接触式测温技术：测量物体的热辐射能量表面温度探头结构黑体温度计非接触式测温技术：测量物体的热辐射能量表面温度46可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。光源和光探测器有足够高的温度稳定性准确度高速&高分辨率测量光纤光栅增敏与去敏设计光纤光栅的主要类型 cont’d应力灵敏度系数(1011/(N/m2))0 1 2 3 4 5原理:稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变AnchorBody啁啾光栅（chirped）II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度的增加造成的灵敏度饱和现象在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件02 4 68 10×103无活动部分-保证了仪器的紧凑性、高可靠性及高速测量。频率响应：可达1MHzDiffractiongrating在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件波长分辨率：<1pm确定系统的运行情况、可靠性光纤血气传感器血气值氧分压（M）二氧化碳分压（pc）氢离子浓度（pH）可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。光纤血气传感器血气值47FBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移

NA=0.110 1 2 3 4 5光纤芯径（μm）相对灵敏度系数-0.0006-0.0004-0.0002NA=0.13NA=0.15NA=0.170NA=0.11FBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数48光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤光栅应力灵敏度系数的影响结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料1.051.061.071.0802 4 68 10×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))E＝86.5×109E＝90×109E＝110×109E＝120×1091.021.041.061.0802 46 810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))ν＝0.98ν＝0.7v＝0.483ν＝0.17光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤49光纤光栅的保护和封装保护层对光纤光栅传感性能影响

裸纤光栅的应变极限仅7860με二次涂敷前后光纤光栅标准应力拉伸实验

宽谱光源光纤光栅光纤砝码■涂覆后－涂覆前1547.01546.91546.81546.71546.61546.51546.41546.31546.2010 20 3040 50纵向载荷（g）波长漂移（nm）光纤光栅的保护和封装保护层对光纤光栅传感性能影响宽谱光源光50FBG多点测量系统结构

高精度：

1pm/0.1℃,1pm/με

实时监测

传感器数量受限FBG多点测量系统结构高精度：1pm/0.1℃,1p51PC机上的图形用户界面（GUI）PC机上的图形用户界面（GUI）52应用实例应用实例53光栅标准具Bragg波长：对于啁啾光栅：干涉条纹的占空比：光栅标准具Bragg波长：54入射光波的特征参量：波长应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))高精度：1pm/0.荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型应力灵敏度系数(1011/(N/m2))非均匀涂敷对光栅光学性能的影响02 4 68 10×103频率响应：可达1MHz高精度：1pm/0.结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料原理:稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变灵敏度：11pm测量速度：测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz)可用于测量一定范围内某一参量的平均值光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率Diffractiongrating结构：周期沿光纤轴向变化－线性、非线性非均匀涂敷对光栅光学性能的影响高速&高分辨率测量在绿色区域却与pH值无关可用于智能结构的光纤传感器光纤光栅的主要类型 cont’d应用领域－通信、传感、信息处理稳定性:比值运算，补偿系统误差结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料1℃的分辨率，准确度为ｌ℃光源和光探测器有足够高的温度稳定性准确度③网络化：以实现多路复用或空间分布式测量使传感系统可获取较大空间范围内的传感信息应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))02 46 810×103AnchorBody制造－振幅模板、逐点写入法人体血气的分析、pH值检测光栅的生命周期与稳定性010 20 3040 50光纤Bragg光栅(FBG)传光型波长调制光纤传感器光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率入射光波的特征参量：波长PC机上的图形用户界面（GUI）可用于智能结构的光纤传感器点式传感器光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。优点：传感头尺寸小<<结构尺寸缺点：只局限于检测一个很小截面内的某一参量的值。积分式传感器可用于测量一定范围内某一参量的平均值例如：光纤干涉仪（MZ干涉仪、Michelson干涉仪等）可用于测量光纤长度范围内应变或温度的平均值。用单根高双折射光纤构成的光纤偏振干涉仪也属于积分式传感器分布式传感器可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。主要特征参量是空间分辨率和灵敏度非线性效应分布式光纤传感器；高双折射光纤构成的分布式光纤压力传感器等入射光波的特征参量：波长可用于智能结构的光纤传感器可用于智能55光纤传感器的分类功能型按照被调制的光波参数强度调制型相位/频率调制型波长调制型偏振调制型入射光波出射光波入射光波的特征参量：波长

外界因素：温度，压力，电磁场，位移光纤传感器的分类功能型入射光波出射光波入射光波的特征参量：波565.5波长调制机理引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型光纤光栅－功能型光纤光栅～反射镜应用领域－通信、传感、信息处理光通信器件半导体激光器、光纤激光器光纤放大器、滤波器波分复用/解复用器色散补偿传感光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线5.5波长调制机理引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化57传感应用光纤光栅传感器优点：抗干扰能力强，稳定、可靠传感头结构简单、体积小测量重复性好可实现绝对测量便于规模生产、成网不足：解调系统昂贵、动态范围受限传感应用光纤光栅传感器58光纤的光敏性历史1978年，加拿大，488nm1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG载氢掺锗光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩光敏性类型：I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃光栅的生命周期与稳定性光纤的光敏性历史59光纤光栅的主要类型光纤Bragg光栅(FBG)ncnclλB光纤光栅的主要类型光纤Bragg光栅(FBG)nc60光纤光栅的主要类型 cont’d长周期光栅LPG导模包层模，损耗宽带透射谱－增益平坦灵敏制造－振幅模板、逐点写入法CORECLADDING光纤光栅的主要类型 cont’d长周期光栅LPGC61光纤光栅的主要类型 cont’d啁啾光栅（chirped）结构：周期沿光纤轴向变化－线性、非线性宽带反射谱：可达100nm应用色散补偿：100km（at1550nm）的色散3.6cm宽带滤波器增益平坦CORECLADDING短长光纤光栅的主要类型 cont’d啁啾光栅（chirp62光纤光栅的主要类型 cont’d闪耀光栅结构：波矢方向与光纤轴有一夹角模式耦合：导模包层模/异阶导模相位光栅FBG某些点处的周期性被破坏附加相移解复用器MAIN-MODESIDE-MODECORECLADDINGlr，为光栅写入时，距相位模版远端的距离l1CORECLADDINGl1光纤光栅的主要类型 cont’d闪耀光栅MAIN-M63应变传感模型对于各向同性圆柱体－几点假设：光栅自身结构－纤芯+包层，忽略所有外包层的影响；石英光纤－理想弹性体，遵循虎克定律，且内部不存在切应变；紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光纤的各向同性特性；所有应力均为静应力，不考虑随时间变化弹光效应弹性变形横向应力作用纵向应力作用应变传感模型对于各向同性圆柱体－弹光效应弹性变形横向应力作用645.5波长调制机理灵敏度：11pm测量范围：1％频率响应：可达1MHz

应变测量布喇格波长

温度测量灵敏度：1C10pm测量范围：200C5.5波长调制机理灵敏度：11pm应变测量布喇65FBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移

NA=0.110 1 2 3 4 5光纤芯径（μm）相对灵敏度系数-0.0006-0.0004-0.0002NA=0.13NA=0.15NA=0.170NA=0.11FBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数66光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度的增加造成的灵敏度饱和现象结论：欲提高光纤光栅的应变灵敏度系数，必须选用低弹性模量、高泊松比的涂敷材料进行保护。选用高弹性模量、低泊松比的金属材料进行涂敷，才能达到提高光栅稳定性的目的

11.522.533.544.502 4 68 10×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(1011/(N/m2))ν＝0.483E＝0.39×109E＝10×109E＝72×109E＝100×10912634502 4 68 10×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(1011/(N/m2))E＝3.9×109ν＝0.98ν＝0.70v＝0.483ν＝0.17光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度67光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤光栅应力灵敏度系数的影响结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料1.051.061.071.0802 4 68 10×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))E＝86.5×109E＝90×109E＝110×109E＝120×1091.021.041.061.0802 46 810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))ν＝0.98ν＝0.7v＝0.483ν＝0.17光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤68非均匀涂敷对光栅光学性能的影响现象二次涂敷后－反射率随拉伸载荷的增加逐渐下降反射谱也逐渐加宽解释涂敷不均匀造成的chirp－非线性随机chirp光栅反射谱将发生随机展宽附加噪声解决方法涂敷材料选择严格控制二次涂敷工艺非均匀涂敷对光栅光学性能的影响现象69光纤光栅的保护和封装保护层对光纤光栅传感性能影响

裸纤光栅的应变极限仅7860με二次涂敷前后光纤光栅标准应力拉伸实验

宽谱光源光纤光栅光纤砝码■涂覆后－涂覆前1547.01546.91546.81546.71546.61546.51546.41546.31546.2010 20 3040 50纵向载荷（g）波长漂移（nm）光纤光栅的保护和封装保护层对光纤光栅传感性能影响宽谱光源光70FBG的应用模式单参量测量双参量测量准分布式多点测量FBG的应用模式单参量测量71采用不同的化学指示剂，可测量不同pH值范围的溶液。主要特征参量是空间分辨率和灵敏度在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料光纤传感器用于智能结构的一些问题应力灵敏度系数(1011/(N/m2))严格控制二次涂敷工艺保护层对光纤光栅传感性能影响按照被调制的光波参数灵敏度：1C10pmΔ＝pH－pK，(pH酸碱度，pK酸碱平衡常数)光纤Bragg光栅(FBG)高速测量(10msec间隔)光纤光栅增敏与去敏设计应力灵敏度系数(1011/(N/m2))4的范围内仪器具有0.不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度的增加造成的灵敏度饱和现象用单根高双折射光纤构成的光纤偏振干涉仪也属于积分式传感器抗干扰能力强，稳定、可靠FBG基本系统结构AQ4315ASE宽带光源FBG光环行器FB200波长监控器231FBG波长1波长2采用不同的化学指示剂，可测量不同pH值范围的溶液。FBG基本72FBG多点测量系统结构

高精度：

1pm/0.1℃,1pm/με

实时监测

传感器数量受限FBG多点测量系统结构高精度：1pm/0.1℃,1p73FBG特点

高速&

高分辨率测量

测量FBG反射谱的功率及中心波长

波长范围：1527～1567nm或

1568～1607nm

波长分辨率：<1pm

功率范围：

-4dBm

～-60dBm(0.1nmRBW)

测量速度：

测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz)

FBG传感器的最大数量：40

超紧凑&高可靠性

220X170X90mm,2Kg(包括供电)

设计高度可靠

(使用寿命

>10年)

工作温度：0to60℃FBG特点高速&高分辨率测量74分光仪

带有光二极管阵列(PDA)的多色仪结构

固定的衍射光栅保证仪器的鲁棒特性；

无活动部分-保证了仪器的紧凑性、高可靠性及高速测量。

波长分辨率

高分辨率

(<1pm)；对像素数据采用独特的内插算法来获得极高的分辨率

注：鲁棒特性是指一个系统在非理想环境下的工作能力，这种环境里可能有许多其他信号或干扰，或者收到的信号电平具有快速起伏的特征。光纤光栅光二极管阵列镜面透镜分光仪带有光二极管阵列(PDA)的多色仪结构注：光纤光栅光75测量实例高速测量

(10msec间隔)10Hz振动34Hz振动(实线:正弦曲线)测量实例高速测量(10msec间隔)10Hz振动34H76软硬件结构PC机上的图形用户界面（GUI）单色仪结构PhotoDiodeArrayfiberDiffractiongratingmirrorlens640-elmentsPhotoDiodeArrayASEsource(whitelightsource)FBGsensorcirculatorWavelengthmonitor2FBGsensor31软硬件结构PC机上的图形用户界面（GUI）PhotoDiod77PC机上的图形用户界面（GUI）PC机上的图形用户界面（GUI）78测量结果比较FB200

波长监控器VS波长计测量结果比较FB200波长监控器VS波长计79应用范围应用范围80应用范围复用数目应用范围复用数目81Δ＝pH－pK，(pH酸碱度，pK酸碱平衡常数)Wavelengthmonitor稳定性:比值运算，补偿系统误差半导体激光器、光纤激光器灵敏度：11pm应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))确定系统的运行情况、可靠性主要特征参量是空间分辨率和灵敏度选用高弹性模量、低泊松比的金属材料进行涂敷，才能达到提高光栅稳定性的目的波长分辨率：<1pm非均匀涂敷对光栅光学性能的影响引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化AnchorBodyII型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃640-elmentsPhotoDiodeArray光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。频率响应：可达1MHz测量速度：测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz)可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。高精度：1pm/0.应用范围实例●水位分布測定Δ＝pH－pK，(pH酸碱度，pK酸碱平衡常数)应用范围实例82机站布局测试站内部主机输电线周围状况

机站布局测试站内部主机输电线周围状况83应用实例应用实例84应用范围应用范围85应用范围应用范围86应用例Sensorforlandslidemovement(B-OTDR)Threeanchors(FBG)应用例Sensorforlandslidemoveme87应用范围日本女子大学百年館の外観（建設時）应用范围日本女子大学百年館の外観（建設時）88应用例－锚杆压力应变监测长期维护耐腐蚀寿命长锚键锚体的应变监测AnchortendonAnchorBodyFBG标准应变测试仪FBG应变传感器锚杆长40m应用例－锚杆压力应变监测长期维护AnchortendonA89波长调制型光纤传感器课件90光栅标准具Bragg波长：对于啁啾光栅：干涉条纹的占空比：光栅标准具Bragg波长：91荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型测量速度：测10个FBG的传感器系统，最快10ms（100Hz)缺点：只局限于检测一个很小截面内的某一参量的值。FB200波长监控器VS波长计Threeanchors光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。灵敏度：1C10pm光源：白炽灯、汞弧灯可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。人体血气的分析、pH值检测频率响应：可达1MHz光源：白炽灯、汞弧灯结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光纤的各向同性特性；保护层对光纤光栅传感性能影响高速测量(10msec间隔)入射光波的特征参量：波长I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0光纤传感器与智能材料传统材料强度要求现代材料“自检”的功能获得材料及结构的整体性、环境条件等信息确定系统的运行情况、可靠性确定剩余寿命提出“智能材料与结构”的概念在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型光纤传感器与智能材料92智能结构对传感器的特殊要求①微型化：保证传感器的埋入不会影响材料的性能（或影响很小）②高可靠：确保智能材料在整个“服役期”能正常有效地运行③网络化：以实现多路复用或空间分布式测量使传感系统可获取较大空间范围内的传感信息光纤传感器

智能结构对传感器的特殊要求93可用于智能结构的光纤传感器点式传感器光纤FP传感器、光纤Bragg光栅传感器等。优点：传感头尺寸小<<结构尺寸缺点：只局限于检测一个很小截面内的某一参量的值。积分式传感器可用于测量一定范围内某一参量的平均值例如：光纤干涉仪（MZ干涉仪、Michelson干涉仪等）可用于测量光纤长度范围内应变或温度的平均值。用单根高双折射光纤构成的光纤偏振干涉仪也属于积分式传感器分布式传感器可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。主要特征参量是空间分辨率和灵敏度非线性效应分布式光纤传感器；高双折射光纤构成的分布式光纤压力传感器等可用于智能结构的光纤传感器点式传感器94光纤传感器用于智能结构的一些问题光纤传感器的复用由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成的一个复杂的传感系统与智能结构的兼容性在智能结构中的分布在智能结构中应用的工艺研究光纤传感器用于智能结构的一些问题光纤传感器的复用95传光型波长调制光纤传感器荧光、磷光光谱关键光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率光源：白炽灯、汞弧灯频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器稳定性:比值运算，补偿系统误差主要应用-医学、化学等领域。人体血气的分析、pH值检测指示剂溶液浓度的化学分析磷光和荧光现象分析黑体辐射分析法布里一帕罗滤光器等调制器被测参量分光计信号处理输出入射光纤出射光纤传光型波长调制光纤传感器荧光、磷光光谱调制器被测参量分光计信96光纤pH值传感器基本原理化学指示剂对被测溶液的颜色反应探头结构指示剂的透明度红色区域对pH值非常敏感在绿色区域却与pH值无关光纤pH值传感器基本原理97设计实例绿光(λ1＝558nm)作为调制检测光，红光(λ2＝630nm)作参考光L为试剂长度；Δ＝pH－pK，(pH酸碱度，pK酸碱平衡常数)稳定性条件光源和光探测器有足够高的温度稳定性准确度pH值在7-7.4的范围内仪器具有0.01的分辨率血液的pH值采用不同的化学指示剂，可测量不同pH值范围的溶液。设计实例绿光(λ1＝558nm)作为调制检测光，红光(λ2＝98光纤磷光传感器原理:稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变测量方法：频谱不同的光电二极管0.1℃的分辨率，准确度为ｌ℃滤光片光纤磷光传感器原理:稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变99传感头设计传感头设计100黑体温度计非接触式测温技术：测量物体的热辐射能量表面温度探头结构黑体温度计非接触式测温技术：测量物体的热辐射能量表面温度101可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。光源和光探测器有足够高的温度稳定性准确度高速&高分辨率测量光纤光栅增敏与去敏设计光纤光栅的主要类型 cont’d应力灵敏度系数(1011/(N/m2))0 1 2 3 4 5原理:稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变AnchorBody啁啾光栅（chirped）II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度的增加造成的灵敏度饱和现象在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件02 4 68 10×103无活动部分-保证了仪器的紧凑性、高可靠性及高速测量。频率响应：可达1MHzDiffractiongrating在材料和结构的制造过程中－埋入传感元件和驱动元件波长分辨率：<1pm确定系统的运行情况、可靠性光纤血气传感器血气值氧分压（M）二氧化碳分压（pc）氢离子浓度（pH）可沿空间位置连续测量单、多参量的传感器。光纤血气传感器血气值102FBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移

NA=0.110 1 2 3 4 5光纤芯径（μm）相对灵敏度系数-0.0006-0.0004-0.0002NA=0.13NA=0.15NA=0.170NA=0.11FBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数