《传感器与检测技术》课件 第十章光纤传感器

控制科学与工程学院-专业基础课程2026年3月传感器与检测技术授课人：联系方式手机/微信：****，邮箱：****课程资源网站：教材：一流本科专业一流本科课程建设第十章光纤传感器OPTICALFIBERSENOR光纤概述10.1光纤传感器10.2光纤光栅传感器10.3分布式光纤传感器10.4第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.1光纤结构概述光导纤维即光纤，它是一种多层介质结构的同心圆柱体，核心部分包括纤芯、包层和保护层（涂覆层及护套）。纤芯直径、纤芯和包层的折射率，对光纤的特性起决定性作用。定义光纤第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.1光纤结构概述纤芯由高度透明的材料制成，是光波的主要传输通道。纤芯材料的主体成分是SiO2，并掺入微量的GeO2、P2O5，以提高材料的光折射率，纤芯直径为5-75μm。包层主要材料也是SiO2，掺入了微量的B2O3或SiF4用以降低包层对光的折射率；包层的折射率略小于纤芯，这样的构造可以保证入射到光纤内的光波束缚在纤芯内传播。涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。护套采用不同颜色的塑料套管，一方面起保护作用，另一方面可用于区分多条光纤。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.2导光原理概述光在同一种介质中是直线传输的，当光线以不同的角度入射到光纤端面时，在端面发生折射进入光纤后，又入射到折射率较大的光密介质（纤芯）与折射率较小的光疏介质（包层）的交界面（），光线在该处有一部分透射到光疏介质，一部分反射回光密介质（斯奈尔定理）。如下图所示，根据折射定理有式中，，是光密介质与光疏介质界面处的入射角和折射角；

，是光纤端面的入射角和折射角。光纤传光原理第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.2导光原理概述物质不同光波的折射率不同，不同的物质对相同波长光的折射角度不同，相同物质对不同波长光的折射角度也不相同。在光纤材料确定的情况下，、均为定值，因此若减小，则也将减小，相应地，、也将增大。当达到使折射角时，即折射光不会深入包层，而是沿界面方向传播，则称此时的入射角为临界角。则有光纤传光原理第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.2导光原理概述外界介质一般为空气，，所以有当入射角小于临界角时，光纤无法透过纤芯-包层界面，而是全部反射回纤芯（光密介质）内部，即发生全反射。上式中的是与光纤本身材料性质有关的常数，定义为数值孔径（NumericalAperture，NA）。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.2导光原理概述由式

、式及下图可知：时，或;

时，发生全反射，此时；

时，，，光线消失。这说明是一个临界角，凡入射角的光线进入光纤后都不能传播而消失在包层。入射角是光线进入光纤纤芯后得以通过全反射方式向前传播的必要条件。光纤传光原理第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.3光纤的特性1.相对折射率差光纤的相对折射率差，决定了光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力，其表达式式中，“”右侧关系式仅在弱导条件向下成立。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.3光纤的特性2.数值孔径数值孔径NA表示光纤接收光的能力的量化指标，表示光纤能够接收的最大入射角的正弦值。只有在张角之内的入射光才能被光纤吸收、传播。通常NA越大，集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易，但NA越大，光信号畸变越大，所以应适当选择。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.3光纤的特性3.光纤模式模式：光波在光纤中传输时，由于纤芯边界限制，满足边界条件的电磁场解是不连续的，这种不连续的场解称为模式。单模光纤：当光纤中只允许单个模式传输时，为单模光纤（Single-ModeFiber，SMF）双模/多模光纤：当光纤中允许两个或更多的模式传输时，则为双模或多模光纤（Multi-ModeFiber，MMF）。定义模式是光纤中光波传输的一种极为重要的特性，直观上可以将模式看成光场在光纤截面上的一种分布图。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.3光纤的特性3.光纤模式在光纤中允许存在的模式数目可由下式来估算式中，称为光纤归一化频率；是折射率分布参数。光纤的归一化频率被定义为式中，是纤芯半径，是真空中的光波波数，是光波波长。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.3光纤的特性3.光纤模式光纤归一化频率的意义：决定了光纤中容纳的模式数量。当波长和折射率参数确定之后，光纤中允许传输的模式数目就只与纤芯半径有关。因此多模光纤芯径较粗，而单模光纤芯径较细。当很大时，光纤中可以传输几十甚至几百个模式；当很小时，则只允许少数几个或单个模式传输。在折射率阶跃型光纤中，若<2.405，则它只能容纳单模，称为主模或基模。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.3光纤的特性3.光纤模式根据国际电信联盟电信标准局(1TU-T)的有关标准，标准光纤包层外径统一为125μm。单模光纤和多模光纤的主要区别在于纤芯芯径尺寸，单模光纤的纤芯芯径约为10μm，而多模光纤芯径约为50μm。下图展示了多模阶跃光纤、多模渐变光纤和单模阶跃光纤对比。多模阶跃光纤、多模渐变光纤和单模阶跃光纤的对比第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.3光纤的特性4.传输损耗光波在实际光纤中传输时，光功率将随传输距离的增加而以指数形式衰减。在工程和实际应用中，光纤的损耗通常以每公里衰减的分贝数（dB/km）来表示，即光信号在光纤中传输过程中单位长度上的功率衰减。式中，是入射光功率；是出射光功率；是光纤长度；是光纤的功率损耗系数。传播损耗的大小是评定光纤优劣的标志之一。一根衰减率为10dB/km的光纤，表示当光在光纤中传输一公里后，光强下降到入射光强的1/10。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.3光纤的特性4.传输损耗光纤损耗与光纤的工作波长密切相关，下图给出了光纤在低损耗区域的一个典型损耗谱。由图可知，在1.33μm和1.55μm波段，光纤损耗有两个低峰值，即光纤作为光波的传输媒介具有两个低损耗工作窗口。而在1.55μm处，光纤中的光功率最小损耗约为0.2dB/km。产生光纤损耗的机理主要有三个方面：吸收、散射和弯曲。光纤在低损耗区域内的典型损耗谱第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.4光纤的分类概述分类光纤类型特点用途按传输模式单模光纤纤芯直径小（8~10μm），断面结构芯粗、包层厚，仅传输单一模式光，色散小，带宽高，只能使用激光器LD做光源，成本高长距离、高带宽通信，如长途电信网络、海底光缆、数据中心互联多模光纤纤芯直径大（50μm或62.5μm），断面结构芯粗，包层薄，允许多种模式光传播，但模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，且随距离的增加而更加严重短距离通信，如局域网（LAN）、建筑内布线、工业网络按折射率分布阶跃型光纤纤芯与包层折射率呈阶跃变化，模式色散较大多模光纤适用短距离传输渐变型光纤纤芯折射率从中心向外逐渐减小，减少模式色散多模光纤适用中等距离传输光纤的分类第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.4光纤的分类概述光纤的分类分类光纤类型特点用途按材料石英光纤以二氧化硅为主要材料，损耗低，带宽高，性能稳定通信领域（单模和多模光纤）塑料光纤（POF）以聚合物材料为主，柔韧性好，成本低，损耗较高短距离低速通信、消费电子、汽车电子、装饰照明氟化物光纤以氟化物为材料，损耗低，适用于特殊波长(如中红外)化学传感器、医疗成像、激光传输按用途通信光纤用于数据和语音传输，损耗低，带宽高电信网络、互联网骨干网、光纤到户（FTTH）传感器光纤光学特性随环境变化（如温度、压力、应变）温度传感器、压力传感器、生物医学传感器医疗光纤生物相容性好，可传输光信号用于诊断和治疗内窥镜、激光手术、光动力治疗照明光纤用于光的传输和分布装饰照明、汽车照明、舞台灯光第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.4光纤的分类概述光纤的分类分类光纤类型特点用途按国际标准（ITU-T）G.651光纤渐变型多模光纤，纤芯直径50/62.5μm，包层直径125μm局域网、校园网、企业网、工业控制网络G.652光纤色散非位移单模光纤，适用于1310nm和1550nm波长城域网、长途通信G.653光纤色散位移单模光纤，零色散波长位于1550nm海底光缆、长距离单波长传输G.654光纤截止波长位移单模光纤，适用于长距离大容量的光纤通信海底光缆、长途骨干网G.655光纤非零色散位移单模光纤，适用于1550nm波长波分复用（WDM）系统G.656光纤低斜率非零色散位移光纤密集的波分复用（DWDM）和粗波分复用（CWDM）G.657光纤弯曲损耗不敏感单模光纤接入网、光纤到户（FTTH）第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.4光纤的分类概述光纤的分类分类光纤类型特点用途按传输的偏振态（单模）保偏光纤可有效抑制偏振态的耦合，保持光的偏振态，结构设计多样，如熊猫型、领结型、椭圆包层型等；性能指标包括双折射、拍长、消光比等光纤传感：用于光纤陀螺、光纤水听器等，提高传感器的测量精度和稳定性；激光领域：用于高功率窄线宽线偏振光纤激光器、掺杂光纤等，提升激光输出功率和质量非保偏光纤光的偏振态在传输过程中会因光纤的缺陷或外界干扰而发生随机变化，无法保持稳定的偏振态；结构相对简单，通常为圆对称结构普通光通信：适用于对偏振态要求不高的长距离光信号传输；光纤耦合：用于光纤与光源、探测器等的耦合，传输效率高第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射概述根据光纤材料的性质、结构以及光与材料相互作用的方式，光在光纤中传播时会产生不均匀性的现象，即光在光纤中传输时会偏离原来的传输方向而散开到各个方向，进而产生散射现象。其中主要的散射类型包括：瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射、米氏散射、多重散射等，前三种统称为后向散射，后向散射在分布式光纤传感中应用较为广泛。光纤中后向散射示意图第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射

1.瑞利散射瑞利散射是一种弹性散射，散射光频率（或波长）与入射光频率相同，光子与粒子相互作用时没有能量的交换。光纤中的瑞利散射是由光纤中的微观不均匀性（如分子或原子）引起的弹性散射现象。探测脉冲光按照全反射原理在光纤中传播，并与其在行进过程中遇到的散射粒子产生作用，形成瑞利散射光。返回到光纤注入端口的散射光就被称为背向（后向）瑞利散射光。瑞利散射（RayleighScattering）是一种物理现象，当光波通过介质时，与介质中的微小粒子（例如气体分子、液体中的微小悬浮颗粒或固体中的晶格缺陷）相互作用，导致光波发生散射。这种散射现象是由英国物理学家约翰·威廉·斯特拉特（第三位瑞利男爵）在19世纪末首次描述的，因此得名瑞利散射。定义第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射1.瑞利散射瑞利散射是一种基本损耗机理，它是下图中短波长区域光纤损耗的主要来源，其特征是散射损耗反比于光波长的4次方，即光纤中后向散射示意图式中，是瑞利散射损耗常数，一般。在1.55μm处，光纤的理论极限损耗为。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射1.瑞利散射基于瑞利散射的分布式光纤传感器是其典型应用之一。当光纤某点（段）受力时，其瑞利散射光强度也随之变化，通过解析光强度的变化进而探知受力点的变化，并利用OTDR（OpticalTimeDomainReflectometry，光时域反射）技术进行空间点定位，最终，可构成分布式光纤压力、应变或声波传感器。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射1.瑞利散射分布式瑞利散射传感器原理图其原理如右图所示，激光器发出的宽谱光经过光纤耦合器1分成两束，一束为参考光，进入光纤耦合器2；另一束光作为探测光通过光纤环形器进入传感光纤，由传感光纤产生的背向瑞利散射光通过光纤环形器作为传感光。参考光束与传感光束在光纤耦合器2处叠加，产生干涉效应。干涉条纹通过光电探测器转换为电信号，再经过一系列的信号处理后，可确定被测量的大小和空间位置。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射拉曼散射效应（RamanScatteringEffect）是光与物质相互作用时的一种非弹性散射现象，由印度物理学家C.V.拉曼（C.V.Raman）和K.S.克里希南（K.S.Krishnan）于1928年首次发现。拉曼散射约占总散射光强度，约为瑞利散射的。依据拉曼散射过程中光子与物质相互作用的机制和条件，拉曼散射分为自发拉曼散射(SpontaneousRamanScattering,SpRS)和受激拉曼散射(StimulatedRamanScattering,SRS)定义定义及分类第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射自发拉曼散射和受激拉曼散射的区别分类依据自发拉曼散射受激拉曼散射激发机制入射光子与分子相互作用时，分子从基态跃迁到虚态，再跃迁到振动激发态，散射光子的能量变化是由分子热运动和量子涨落引起的在高强度泵浦光的作用下，泵浦光子与分子相互作用，使分子从基态跃迁到振动激发态，同时产生与泵浦光相干的散射光；这种过程类似于激光的受激发射，散射光的强度与泵浦光的强度成正比特点信号强度低，散射截面小，通常需要高灵敏度的检测设备；入射光强度较低，散射过程主要为线性过程，非线性效应弱信号强度高，散射截面大，比自发拉曼散射强许多个数量级；泵浦光强度高，散射过程是非线性的，非线性效应强过程本质一种随机的、非相干的散射过程，散射光的方向和频率变化是随机的一种非线性光学过程，散射光与泵浦光相干，方向性好，具有相干增强效应第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射自发拉曼散射和受激拉曼散射的区别分类依据自发拉曼散射受激拉曼散射理论联系一种特殊的受激拉曼散射，其斯托克斯光子是由真空里的电磁场的零点能涨落提供的基于高强度泵浦光诱导非线性散射过程应用拉曼光谱分析：鉴定分子结构和化学组成，提供分子的“指纹”信息；材料科学：研究材料的分子结构和应力分布；生物医学：检测生物组织中的代谢物，用于疾病诊断拉曼激光器：产生高强度的拉曼激光，用于光通信中的信号放大；高分辨率成像：在生物医学成像中，受激拉曼散射可以提供更高分辨率和灵敏度；材料表征：研究材料的非线性光学性质第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射当光子与物质中的分子相互作用时，光子不仅会改变传播方向（散射），还会与分子发生能量交换，导致散射光的频率发生变化。这种频率变化称为拉曼位移（RamanShift），反映了分子的振动、转动或其他低频模式的能量变化。定义产生机制在一些情况下，经典理论对于斯托克斯光和反斯托克斯光的描述与所得到的实验结果并不一致。而量子理论可以很好的解释拉曼散射产生机制，即光量子与介质分子之间会发生能量转移的非弹性碰撞，这体现为分子能级的跃迁，如右图所示。拉曼散射能级跃迁第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射设定入射光的频率为，其中E1和E2分别为介质分子的基态能级和激发态能级（或称振动能级），为了方便解释，还假设了E3和E4两个虚态能级。当分子处于基态E1并吸收一个入射光子时，会先跃升至假设的E3能级，然后在从E3降至激发态E2的过程中，会释放一个能级为的斯托克斯光子。拉曼散射能级跃迁当光子将能量转移给分子时，散射光的频率降低，波长变长，颜色会偏向红色，因此这种现象被称为“红移”，对应的散射光为斯托克斯光（Stokes），其中频率变化量为，散射光频率为。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射一个处于激发态E2的分子，在吸收了一个入射光子之后，会先跃迁至假定的E4能级，然后当该分子从E4能级返回到基态E1时，会产生一个能级为的反斯托克斯光子。拉曼散射能级跃迁其中，表示拉曼散射频移量，单位为赫兹，其值大小只与散射分子本身的结构有关，因此对应了分子振动/转动能级变化，即包含了物体内部分子信息，拉曼光谱能够捕捉到这些信息，形成特征光谱峰，进而反映化学键类型及分子结构，这就是拉曼光谱技术的来源。当光子从分子吸收能量时，散射光的频率增加，波长变短，颜色会偏向蓝色，同理被称为“蓝移”，对应散射光为反斯托克斯光（Anti-Stokes），频率变化量为，散射光频率为。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射拉曼系统中，石英光纤通常产生的拉曼散射频移量是13.2THz。从下图中也能看出瑞利散射前后保持光的频率不变。拉曼散射能级跃迁第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射当入射光与介质分子相互作用时，会激发出一定强度的拉曼散射光。二氧化硅分子的密度与其运动能量之间遵循波尔兹曼因子分布，它们之间存在着反比例关系式中，ρ代表分子密度；E代表分子的运动能量；k是波尔兹曼常数；T表示绝对温度。由于基态E1的能量低于激发态E2，所以处于激发态的分子数量相对较少。并且，介质分子向E2和E1能级跃迁的概率相当。在自发拉曼散射中，基态分子跃迁所产生的斯托克斯光，其强度要大于激发态分子跃迁所产生的反斯托克斯光。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射拉曼散射应用拉曼散射在光纤传感中具有广泛的应用，尤其是在分布式光纤传感技术中，利用拉曼散射效应可以实现对温度的连续监测。如右图所示，其原理是利用光纤背向拉曼散射信号，也就是反斯托克斯信号的温度效应，传感光纤每个点所受的温度都会引起光纤中反斯托克斯背向拉曼散射光强度的变化，通过测量散射光的强度，即可得出传感光纤各个点的温度变化，并利用OTDR技术对空间点进行定位。拉曼散射分布式传感系统原理图第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射2.拉曼散射分布式光纤测温系统（DistributedTemperatureSensing，DTS），基于光纤中的拉曼散射效应，通过测量反斯托克斯光和斯托克斯光的强度比值来解调光纤沿线的温度信息，进而能够实现长距离、大范围的连续温度监测，在大坝安全监测、智能电网、环境监测等方面具有较高的应用价值。拉曼散射分布式传感系统原理图第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射3.布里渊散射布里渊散射(BrillouinScattering)是由于光在介质中与声学声子相互作用而产生的散射现象，是由法裔美籍科学家L.布里渊发现。具体可分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。定义定义及分类①自发布里渊散射（SpontaneousBrillouinScattering,SpBS）由于自发热运动无时无刻不发生于光纤内部微观粒子（例如原子、分子等）之中，这会形成不间断的弹性力学振动，从而引起光纤介质密度发生变化，由此产生自发声波场，进一步使得介质折射率在时空上被周期性调制并以声速移动，该过程等同于一个以声速运动的声场光栅。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射3.布里渊散射入射光波在光纤中会受到声场光栅作用而形成布拉格衍射效应，散射光也随即形成。该散射光由于多普勒效应会出现频率漂移，即发生频移特性的散射光称之为自发布里渊散射光。下图为光纤中布里渊散射产生的物理机制模型。光纤中布里渊散射过程示意图（a）布里渊斯托克斯光形成过程示意图；（b）布里渊反斯托克斯光形成过程示意图第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射3.布里渊散射当声场光栅与入射光（频率为）的运动方向一致时，如图（a）所示，散射光的频率在尺度上会减小并且向下出现偏移，即为布里渊Stokes光（频率为）；相反，如果声场光栅与入射光（频率为）的运动方向不一致时，如图（b）所示，则会使得散射光频率增大并向上发生偏移，称之为布里渊Anti-Stokes光（频率为）。光纤中布里渊散射过程示意图（a）布里渊斯托克斯光形成过程示意图；（b）布里渊反斯托克斯光形成过程示意图第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射3.布里渊散射②受激布里渊散射受激布里渊散射（StimulatedBrillouinScattering,SBS）是由强感应声波场同入射光场发生的相互作用而产生。在光纤中，若入射光的强度超过了受激布里渊散射阈值，由于电致伸缩效应，在光纤内部产生强感应声场，声场会与光纤中的介质相互作用，从而周期性地调制介质中的折射率，发生该过程可以看作在光纤内部产生了以声速运动的折射率光栅。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射3.布里渊散射在光纤的末端，输出与其散射光频率相同的光波，并将其与散射光进行叠加并发生能量转换后输出光纤，从而得到探测光信号，如下图所示。在量子力学中，上述受激布里渊散射可以为描述为：一个入射泵浦光子湮灭的同时产生一个斯托克斯光子和一个声子。受激布里渊散射原理图随着泵浦光持续散射会致使产生更多的声子，也会使得感应声场增强，最终导致了泵浦光与斯托克斯泵浦光的相互作用增强，进而更多的斯托克斯光子产生。整个过程不断循环，在泵浦光不断被消耗的同时，SBS过程也会持续增强，直至整个效应达到平衡。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射3.布里渊散射受激布里渊散射对入射光功率有一定的阈值要求，该阈值受光纤的材料、长度的影响。单模光纤中的受激布里渊散射阈值模型可以表示为式中，是受激布里渊散射阈值；

21是增益因子；是偏振因子；是有效纤芯面积；是布里渊峰值增益因子；是光源线宽；是布里渊增益谱宽；是光纤有效作用长度。第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射3.布里渊散射应用基于SBS的BOTDA技术在分布式光纤传感中具有较高的应用价值。布里渊光时域分析（BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis,BOTDA）是一种基于受激布里渊散射效应的分布式光纤传感技术，广泛应用于温度和应变的连续分布式测量，如下图所示。BOTDA原理图第十章10.1光纤概述1.1.1什么是传感器10.1.5光纤的散射3.布里渊散射BOTDA系统在光纤的两端分别注入高功率的泵浦脉冲光（Pumppulse，PP）和低功率的连续探测光（ContinuousStokeswave，CPW）。泵浦光和探测光在光纤中发生受激布里渊散射效应，当两路光的频差等于光纤本征的布里渊频移（BrillouinFrequencyShift，BFS）时，受激布里渊散射效应达到最强。通过对频差进行扫频，可以获得完整的分布式布里渊增益谱，再利用曲线拟合获得其中心频率，即分布式BFS，最终，利用BFS与温度或应变之间的线性关系，并结合OTDR空间定位技术，即可解调出外界环境的温度或应变分布信息。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述1.定义及原理光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件或传输介质的传感器，通过光信号的变化来检测物理量（如温度、压力、应变等）的变化。定义如右图所示，其基本原理是将来自光源的光经光纤送入传感头（调制器），使待测量参数与进入调制区的光相互作用后，改变了光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等），使其成为被调制的信号光，光电探测器，将调制的光信号转化为电信号，最后经过信号处理还原出被测物理量。光纤传感器的结构及原理第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述2.组成光纤传感器的基本结构由光源、光纤、光电探测器等部分组成，如下图所示。光纤传感器的结构及原理光源在光纤传感器的设计中，光源的选择至关重要，它直接影响传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及测量精度。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述2.组成光纤传感器常用光源光源类型特点适用场景白炽光源通常为钨丝灯泡，辐射近似黑体辐射，价格低廉、使用方便，但稳定性较差、寿命短对光源稳定性和寿命要求不高的简单光纤传感器系统气体激光器常见的气体激光器如氦氖激光器，具有高相干性、高辐射度和低噪声等优点干涉型光纤传感器，需要高相干光源的场景固体激光器包括掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器等，具有高功率、高辐射密度、体积小巧等优点需要高功率密度光源的光纤传感器半导体激光器发光二极管体积小巧、坚固耐用、寿命长、可靠性高，是光纤传感器中最重要的光源类型多模光纤传感器，对调制速率要求高的场景半导体激光二极管单模光纤传感器，需高功率和高方向性场景第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述2.组成光电探测器光电探测器的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号。常用的光探测器有光敏二极管、光敏晶体管、光电倍增管、APD、BPD等。APDBPD第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述3.分类与特点按光纤在传感器中功能的不同，光纤传感器可分为功能型和非功能型两类。①功能型（传感型）光纤传感器按光纤功能分类功能型光纤传感器（FunctionalFiberSensor，FF），如右图所示，是基于光纤的光调制效应，利用光纤本身的特性作为敏感元件，被测量（如温度、压力、应变等）直接作用于光纤，导致光纤内传输的光的特性（如强度、相位、频率、偏振态等）发生变化，通过检测这些变化，可以实现对被测量的精确测量。功能型光纤传感器这种传感器不仅利用光纤传输光信号，还利用光纤本身的物理特性来感知外界环境的变化。此类传感器常使用单模光纤。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述3.分类与特点②非功能型（传光型）光纤传感器非功能型光纤传感器（Non-FunctionalFiberSensor，NFF），如右图所示，是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。在这种传感器中，光纤仅起到导光的作用，而光信号的调制由附加的敏感元件完成。非功能型光纤传感器此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现、成本低，但灵敏度也比较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。在非功能型光纤传感器中，也有不需要外加敏感元件的情况。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述3.分类与特点光纤把测量对象辐射的光信号或测量对象反射、散射的光信号耦合到光纤里，再传播到光电探测元件上，如下图所示。这种光纤传感器也被称作传感探针型光纤传感器，通常使用单模或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等，其特点是非接触测量，且具有较高精度。探针型光纤传感器第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述3.分类与特点按光纤在光纤传感器的应用极为广泛，可探测的物理量近70种。按照被测对象的不同，光纤传感器又可分为位移、应力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、磁场、电压、电流、化学量、生物医学量等各种光纤传感器。按被测物理量分类第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.1光纤传感器概述3.分类与特点根据对光信号进行调制方式的不同，光纤传感器可分为强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等不同调制原理的光纤传感器。按调制方式分类按检测范围分类按检测范围可将光纤传感器分为三类：点式光纤传感器、准分布式光纤传感器（点阵列传感器和积分式传感器）和连续分布式光纤传感器（简称分布式光纤传感器）。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.2强度调制型光纤传感器1.原理强度调制型光纤传感器的基本工作原理是将光源发出的光通过光纤送入调制区，待测物理量（如温度、压力、位移等）作用于调制区内的光纤，导致光纤传输损耗或光强发生变化。这种变化可以通过光探测器检测到，并进一步解调出被测物理量的信息。这种传感器结构相对简单，成本较低，适用于多种工程领域，但受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.2强度调制型光纤传感器2.分类根据其工作原理和结构特点，强度调制型光纤传感器可分为基于光纤微弯曲、基于光纤宏弯曲、基于光吸收以及基于光纤耦合的传感器，它们之间的区别参见下表。分类原理特点应用领域基于光纤微弯曲传感器利用机械换能器将待测物理量转换为光纤微弯曲，从而引起光传输损耗变化结构简单，成本较低，高灵敏度工业自动化、土木工程、石油工业基于光纤宏弯曲传感器直接利用光纤的弯曲半径或曲率变化来改变光的传输损耗无额外装置，适用于直接施加物理量场景土木工程、医疗健康、环境监测基于光吸收的传感器利用特定材料对光的吸收特性，当待测物理量作用于传感器时，改变材料的吸收特性，从而影响光的强度适用于化学和生物传感器，能够检测特定物质的存在化学检测、生物医学、环境监测基于光纤耦合传感器利用光纤之间的耦合效应，当待测物理量作用于传感器时，改变光纤之间的耦合效率，从而影响光的强度适用于需要高精度测量的场合，如温度和压力传感器工业自动化、医疗健康、安全监控第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.2强度调制型光纤传感器3.应用光纤微弯传感器是利用光纤中传播的高阶模全内反射条件因待测物理量而受到影响，部分能量在弯曲段进入包层从侧面逸出，使光纤中的光通量减少，通过检査光能量的变化，测出相应的物理量。它由变形器和敏感光纤构成，如下图所示。变形器通常由一对机械周期为的齿形板组成，敏感光纤则从齿形中间穿过，在齿形板的作用下产生周期性的弯曲。光纤微弯传感器示意图第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.2强度调制型光纤传感器3.应用如下图所示，当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度随之变化，从而导致输出光功率改变，通过测量输出光功率变化来间接测量外部扰动的大小，从而实现微弯传感器功能。微弯调制型光纤传感器原理图第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.2强度调制型光纤传感器3.应用传感器的灵敏度系数，受弯曲幅度、数目和周期影响，而弯曲周期影响最大，当接近临界周期时，输出光强会急剧变化，临界周期公式为式中，r、

分别是光纤芯半径和折射率；NA是光纤数值孔径。由此可以看出，对于给定的光纤，知道其参数后，就能计算出它的最佳微弯周期，使得它的微弯损耗达到最大，以使传感器具有最佳灵敏度。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器1.原理相位调制型光纤传感器是一种利用外界因素引起光纤中光波相位变化来探测外界物理量及其变化量的光纤传感器。其传感原理是首先将光束分为两路，一路光束为参考光，另一路光束受被测对象的影响（光纤折射率或传播常数发生变化）而产生相位变化，通过检测两束单色光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。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用其应用方向包括：利用光弹效应的声、压力或振动光纤传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场光纤传感器；利用电致伸缩的电场、电压光纤传感器以及利用光纤萨格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用①萨格纳克效应萨格纳克效应（SagnacEffect），是由法国物理学家乔治·萨格纳克（GeorgesSagnac）在1913年首次发现的一种物理现象：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动。萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。萨格纳克效应已经得到广泛的应用，由萨格纳克效应研制出的光纤陀螺仪和激光陀螺仪已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。光纤Sagnac传感器第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用②光纤Sagnac传感器基于Sagnac干涉原理，激光器光束分两束分别从两端进入光纤环，并从一端进入探测器。光纤环中两路方向相反光束的非互易光程差与垂直于光纤环平面、惯性空间的角速度关系为：（A为光纤环面积；c为光速）。相干光的相位差可表示为式中,是真空中的波长；是光纤环半径；是光纤环数；是光纤总长度且，。只要测得相移，即可求出转动角速度。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用下图为基于光纤Sagnac效应设计的光纤陀螺仪的原理示意图。在一个光纤线圈中引导两个反向传播光束，当旋转光纤线圈时，按顺时和逆时针方向传播的两光束产生时间差或相位差正比于线圈旋转的角速度。光纤陀螺仪原理第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用光纤Fabry-Perot（F-P）传感器是一种基于多光束干涉原理的光纤传感器，广泛应用于压力、温度、振动等多种物理量的测量。如右图所示，F-P光学腔是传感器的核心,由两个平行的高反射表面构成（Mirror1和Mirror2），这两个表面之间形成一个光学谐振腔（F-PCavity）。当光进入这个腔体时，会在两个反射面之间多次反射，形成干涉条纹。外界物理量的变化（如压力变化导致薄膜形变）会改变腔体的光程长度，进而改变反射光的相位，导致干涉光谱的漂移。光纤Fabry-Perot传感器F-P型传感器原理第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用通过检测干涉条纹的变化，可以反推出外界物理量的变化。与FBG、长周期光栅等器件相比，F-P传感器的制作相对更为经济、简单、便捷，可操作性更强，这让F-P传感器的优势更为突出，尤其是在开发紧凑型光纤传感器时，F-P结构成为探索最广泛的配置之一。根据F-P传感器的本质属性，大致可分为本征法珀传感器(IFPI)和非本征法珀传感器(EFPI)。F-P型传感器原理第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用双光束干涉中的反射光强与反射率和光学相位有关式中,、分别是Mirror1和Mirror2的端面反射率；表示由F-P腔引入的往返相位延迟，且，、、L分别是入射波长、腔内物质反射率和F-P腔长度。当外界作用使得腔体长度L发生变化时，可通过相位的变化引起的反射光强变化感知外界作用的大小。常用的解调方法有白光干涉法和相位解调法等。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用右图为光纤白光相干仪传感器，光纤F-P腔作为敏感单元获取被测参量信息，并最终经过信号解调和处理后得到测量结果。本征型光纤F-P传感器的F-P腔由光纤本身构成，这种长度仅几十微米的微腔结构有很大的加工难度。同时，外界因素作用下腔体折射率和长度同时变化，如何区分两个参数的相互影响也是测量中的难题。白光相干仪（White-lightCross-Correlator）提供了一种精确测量FPI（Fabry-PerotInterferometerCavity）空腔长度的方法，并可用于绝对测量。光纤白光相干仪传感器第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.3相位调制型光纤传感器2.应用白光相干仪由两个FPI组成，其中一个作为参考臂，另一个为测量臂。宽带光源发出的光被投入到2×2耦合器中并被导向FPI仪。经FPI仪调制的光被反射回光纤传感器的读取器上，由现行CCD阵列检测。CCD阵列的每个像素都与FPI腔长度相关联，FPI腔长度的变化被转换成一系列相关于像素的位移。只要白光相干仪稳定，即可提供FPI测量仪空腔长度的精确而又可靠的测量结果。光纤白光相干仪传感器第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.4偏振调制型光纤传感器1.光的偏振光是一种电磁波，属于横波。光波的电场和磁场振动方向垂直于传播方向。光波电矢量振动的空间分布相对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。定义第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.4偏振调制型光纤传感器1.光的偏振如下所示，根据电场矢量的振动方向和规律，光可以分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。线偏振光，电场矢量在传播方向上始终沿着一个固定的方向振动；圆偏振光：电场矢量的端点在传播方向上形成一个圆形轨迹，分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；椭圆偏振光：电场矢量的端点在传播方向上形成一个椭圆形轨迹，是最一般的偏振态；圆偏振光和椭圆偏振光也可以等效为两个线偏振光的合成。这两个线偏振光同频、振动方向垂直、具有固定相位关系。非偏振光与偏振光第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.4偏振调制型光纤传感器1.光的偏振偏振光可通过偏振片获取，如右所示。偏振片是用人工方法制成的薄膜，透明胶层中包含有规则排列微粒晶体，对不同振动方向的光具有很强的选择性吸收，它允许透过某一电矢量振动方向的光（此方向称为偏振化方向），而吸收与其垂直振动的光，即具有二向色性。因此自然光通过偏振片后，透射光基本上成为平面偏振光。由于偏振片易于制作，所以它是普遍使用的偏振器。自然光到线偏振光的产生过程第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.4偏振调制型光纤传感器2.偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。某些物理效应（如法拉第效应、克尔效应、光弹效应等）会引起光纤中的双折射现象，导致光的偏振态发生变化。通过测量这些变化，可以实现对被测物理量的检测。偏振调制型光纤传感器的主要应用方向有：利用法拉第效应的电流、磁场传感器；利用霍尔效应的电场、电压传感器；利用光弹效应的压力、振动或声传感器；利用双折射性的温度、压力、振动传感器。目前最主要的还是用于监测强电流。此类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.4偏振调制型光纤传感器3.应用光纤法拉第效应（FaradayEffectinFiberOptics）是指当线偏振光在磁场作用下通过光纤时，其偏振面会发生旋转的现象，这种现象称为磁致旋光效应（或法拉第效应），这一效应基于光的偏振态在磁场中的变化，是磁光效应的一种表现，其原理如下图所示。光纤法拉第效应传感器主要应用于电力系统中的电流测量、高精度磁场测量、光纤通信系统中的隔离器和环形器等。法拉第效应原理图第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.4偏振调制型光纤传感器3.应用电流磁场使得光纤中的偏振光发生偏转，其偏转角与磁感应强度和光穿越介质的长度的乘积成正比，即式中,B

是磁场强度;L

是磁场作用下的光纤长度；通过光纤环的载体电流；是与介质性质及光波频率有关的费尔德常数（VerdetConstant）。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.4偏振调制型光纤传感器3.应用当光纤为圈时，旋转角为由上式可知，积分结果只与电流有关。基于光纤法拉第效应的光纤电流传感器原理如下所示，通过对探测到的偏振光强度解算可测出电流。需要注意的是上式成立的条件：①线偏振光的偏振态能够保持不受磁场以外的外界条件影响，即保持线偏振而不脱变为椭圆偏振光；②线偏振光行进的路线为闭合环路。光纤电流传感器原理第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.5频率调制型光纤传感器1.原理频率调制型光纤传感器是一种利用光的频率或波长变化来检测被测物理量的光纤传感器。其基本原理是利用光的频率变化来传递被测物理量的信息。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.5频率调制型光纤传感器2.应用频率调制型光纤传感器根据具体频率调制原理不同，其应用场景不同。利用多普勒效应，可以测量物体的运动速度，常用于工业自动化、交通监测等领域；通过检测流体中反射光的频率变化，可以测量流体的流速，在石油、化工等领域有广泛应用；利用拉曼散射等现象，可以用来检测气体浓度或监测大气污染；利用光致发光等现象，可以用于温度测量。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.5频率调制型光纤传感器2.应用频率调制型光纤传感器的优势：(1)高灵敏度：能够检测到微小的频率变化，从而实现高精度测量；(2)抗干扰能力强：由于频率调制型传感器主要检测频率变化，因此对光源强度波动和连接器损耗变化的敏感度较低；(3)结构简单：无需特殊光纤或其他复杂技术，成本较低。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.5频率调制型光纤传感器2.应用右图所示为一个典型的激光多普勒光纤测速系统。激光沿着光纤入射到测速点A上，后向散射光与光纤端面的反射光或散射光一起沿着光纤返回，其中纤维端面的反射光或散射光是作为参考光使用。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。于是信号光与参考光一起经光探测器转换为电信号，再进入频谱分析器进行信号处理，最后输出测量结果。激光多普勒光纤测速系统第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.5频率调制型光纤传感器2.应用测量系统中，从目标返回的信号强弱取决于后向散射光的强度、光纤接收面积和数值孔径。返回光所占散射光的比例决定于光纤的数值孔径和光纤面积。假定采用阶跃型光纤，并且在光纤出射光锥内的光功率是均匀分布的，则到达距离光纤端面为的平面上的功率式中，是光纤注入到被测介质中的光功率；是电场幅度的衰减系数。第十章10.2

光纤传感器1.1.1什么是传感器10.2.5频率调制型光纤传感器2.应用处的长度元散射的功率为式中，是散射衰减系数。光纤多普勒探测器对检测透明介质中散射体的运动是非常灵敏的，但其结构决定了它能量有限，只能穿透几个毫米以内的深度，仅适于微小流量范围的介质流动的测量。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.1概述概述光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating，FBG，简称光纤光栅）传感技术从上世纪末期开始发展，是当前最成熟的光纤传感技术之一。工作原理：直接在单模光纤上制作多个光栅，封装保护后形成光纤传感链，可高精度地同时测量温度、应变、压力、位移等多种物理量。光纤传感链中传感器和传输线是合一的，均为单模光纤，唯一的区别在于传感器是单模光纤中经过加工、处理、封装、保护的局部光纤段。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.1概述概述光纤光栅的制备通常采用紫外激光相位掩膜法，光纤光栅阵列的制备通常采用紫外激光双光束干涉法。近年来新发展的飞秒激光制备法可在几乎所有类型的光纤中制备光纤光栅而且可以制备不同类型的光纤光栅，例如标准光栅、啁啾光栅、倾斜光栅、切趾光栅、少模光栅、相移光栅、蓝宝石光栅、中红外光栅、大芯径双包层光栅等，如右图所示。飞秒激光可以透过涂敷层直接在光纤纤芯中制备光栅，因此，制备的光纤光栅保留了光纤原有的机械强度。飞秒激光法制备FBG第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.2FBG结构及原理概述作为一种典型的波长调制型光纤传感器，光纤光栅的纤芯折射率沿纤芯呈周期性变化(称为光折变)，其空间相位成周期性分布。当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，在光栅处有选择的反射回一个窄带光，其余宽带光继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光栅处进行反射，多个光栅阵列形成光纤布拉格光栅传感网络。按光栅周期划分，FBG的周期小于1μm，其特点是传输方向相反的两个芯模之间发生耦合，属于反射型传感器，如下图所示。FBG结构示意图第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.2FBG结构及原理概述当某一宽带光源的光入射到光纤光栅中时，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，反射光的波长由Bragg公式确定式中，、和分别是光纤光栅的反射波长、有效折射率和周期。当环境温度和光纤光栅受到应变作用时，光纤光栅的反射波长将发生改变式中,是有效弹光系数，，和是弹光系数，是纤芯材料的泊松比；是弹性体的热膨胀系数；是光纤的热光系数；是温度改变量；是光纤的轴向应变。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.2FBG结构及原理概述不受应变作用时，FBG可用作温度传感器。式子可变为如果温度和应变同时作用，可得上式表明，如果已知FBG谐振波长的漂移量及其温度的改变量，就可以计算出FBG的应变，此时，FBG可用作应变传感器。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.2FBG结构及原理概述事实上，如果应力施加到光纤，或者温度发生改变（热光效应与热膨胀），有效折射率和光栅周期间距都会发生变化，从而FBG可以探测物理量的变化。FBG的重要特点之一是可以利用波分复用技术将多个光纤光栅集成到单根光纤中组成传感器网络系统，而中心波长偏移的测量是FBG中的关键技术。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.3FBG信号解调1.光纤光栅传感模型下图所示为光纤光栅传感模型示意图。该模型由光源、环形器、传感光栅、探测器等组成。当光源发出的光波经传输通道至传感光栅被反射（或透射），若传感光栅受外场作用，则外场通过对传感光栅的作用调制光波，调制光波被光栅反射（或透射），经接收通道至探测器，最后经解调后输出得到外场信息。光纤光栅传感模型第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.3FBG信号解调2.解调方法线性解调是指解调系统的关联函数随外场调制信号的变化具有线性函数的特征，并由此设计实现的一种光纤光栅光信号解调方法，如下图所示。线性解调方法原理示意图线性解调第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.3FBG信号解调2.解调方法边缘波器输出光强的变化与波长漂移成正比，即式中，是关联函数，取某一特定常数。通过测量输出光强，即可获得波长信息，其测量范围与探测器的分辨率成反比。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.3FBG信号解调2.解调方法线性解调系统的两个典型实例如下图所示。图(a)是基于线性滤波器结构，图(b)是基于光波分复用（OWDM）耦合器结构。典型线性解调系统结构及原理示意图第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.3FBG信号解调2.解调方法干涉解调是指解调系统的关联函数随外场调制信号的变化具有正弦或余弦函数特征，并由此设计实现的一种光纤光栅光信号解调系统。右图是干涉解调原理示意图，当外场作用于传感光栅时，导致干涉仪中的光程被调制，干涉仪的作用相当于一个波长扫描器，对传感光栅进行频谱选择。干涉解调方法在现有的解调技术中分辨率是最高的。干涉解调原理示意图干涉解调第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.3FBG信号解调2.解调方法干涉解调系统形式较多，其中具有典型意义的是M-Z干涉仪，如下图所示。该系统的关联函数为式中，比例系数是干涉信号的可见度；是扫描干涉仪中相位的热漂移（随机相位差属噪声），是干涉仪两臂的相位差（由应变或温变引起）。令、分别是干涉信号光强与输入光的光强，它们分别相当于载场光强与参考光强，则上式具体化为。基于M-Z干涉仪的干涉解调系统示意图第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.3FBG信号解调2.解调方法而为式中，是干涉仪两臂光程差；是施加在光栅上应变或温度的变化；是应变或温度灵敏度，即。由式和上式得式中，是噪声项，可以采用稳定措施或多次测量平滑至最小。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用1.光纤光栅单参数传感器光纤光栅单参数传感器可以检测的物理量有温度、应力（应变、压强）、位移、扭转（扭角、扭矩、扭应力）、电流（电压、磁场等）、振动（加速度、频等）、浓度等。FBG封装光纤光栅温度传感器采用大膨胀系数的聚合物进行模具浇铸，或者利用金属片（金属管）粘贴以及金属镀膜等方式，可以对FBG进行温度增敏封装，设计制作高灵敏度的FBG温度传感器，如右图所示。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用1.光纤光栅单参数传感器在不受外力作用时，封装FBG中心波长的变化与外界温度变化的关系为式中，是封装材料的热胀系数；是温度T的传感系数。由右图可知，在20~80℃温度区域，封装后的FBG温度灵敏度较裸光栅提高了11倍以上，并且波长-温度变化具有良好的线性响应。聚合物封装FBG前后温度传感测量对比第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用1.光纤光栅单参数传感器将FBG粘贴在等强度悬臂梁的表面，可以设计制作FBG应力传感器。如下图所示，设l、b、h分别为三角形等强度悬臂梁的梁长、梁固定端宽度和厚度，FBG粘贴于靠近固定端的表面。在恒温条件下，当梁自由端（末端L处）的挠度不大时，FBG中心波长的变化与外应力F的关系为悬臂梁结构示意图光纤光栅应力传感器式中，是等强度悬臂梁的杨氏模量；是应力F的传感系数。在实际测量时，这种FBG应力传感器往往与电阻应变片一起使用。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用1.光纤光栅单参数传感器将FBG粘贴在双悬臂梁的中部，可以设计制作FBG位移传感器，其结构如下图所示。设L、b、h、E分别为弹性梁的长度、宽度、厚度及杨氏模量，梁的中部固定且区间为δ，使两端自由可调。长度为l的FBG沿梁的轴向粘贴于上表面，固定端将其隔离为相等的两部分。在两端测量力共同作用下，FBG带宽将展宽或压缩。光纤光栅位移传感器第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用1.光纤光栅单参数传感器在侧向位移很小的情况下，FBG带宽与双侧悬臂梁的侧向位移的关系可表示基于双制悬梁的FBG位移传感器结构示意图式中，是侧向位移的传感灵敏度。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用2.光纤光栅双参量传感器光纤光栅双参量传感器可以检测的物理量有温度-扭转、温度-位移、温度-应力、二维应力、二维位移等。下图为基于矩形悬臂梁的FBG二维应力传感器结构示意图。基于矩形悬臂梁的FBG二维应力传感器结构示意图将两个不同波长的FBG刻写入同一根光纤的两个不同位置，并将其分别沿矩形悬臂梁的轴线粘贴于靠近固定端的两个相邻侧面，通过监测粘贴在梁上两个FBG波长变化的大小和指向，可以实现应力二维的传感测量。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用2.光纤光栅双参量传感器基于矩形悬臂梁的FBG二维应力传感器结构示意图矩形悬臂梁由特殊的有机材料合成，设L、b、h、E分别为矩形悬臂梁的梁长、宽度、厚度和杨氏模量。同一根光纤有两个中心波长分别为、（），长度分别为、的FBG1和FBG2，分别沿梁的中性面与表面的交线粘贴在靠近固定端的两个相邻侧面，它们的中心位置与梁固定端距离均为（）。坐标系的选取如右图所示。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用2.光纤光栅双参量传感器根据材料力学理论，在自由端侧向位移不大的条件下，可得到恒温条件下FBG中心波长随二维应力变化的关系式分别为式中，、分别是二维应力和的传感灵敏度。当h=b时，=，即两个方向上具有相同应力灵敏度。若施加在悬臂梁自由端的应力为与平面平行的二维应力，则其合力大小，相应的方位角。于是利用FBG波长绝对编码特性，通过检测、波长漂移量和指向，即可实现悬臂梁自由端二维应力的传感测量。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用3.准分布式光纤光栅多点传感系统光纤光栅多点传感的主要思路是：若干个传感光栅共用一个光源（宽带光源或可调谐光纤激光器等），每个光栅谐振波长随外场（温度场、应力场等）的变化而漂移，谐振波长的光谱范围内必须互不串扰（不相互重叠），且同时必须在光源光谱范围内或波长调谐范围内，即波分复用技术。研究表明，基于多个光纤光栅级联波分复用的传感网络系统是传感领域颇具竞争力的一种实用的现代传感技术。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用3.准分布式光纤光栅多点传感系统首先，在一根光纤上写入多个不同谐振波长的光栅可制成光纤光栅阵列或光栅串（FGA），然后由多个FGA组成的光纤光栅串集可构建拓扑结构变化丰富的传感网络系统、从而实现光栅多点及准分布式传感，最后设计并研制多点光栅传感系统，通过对各个传感光栅调制的波长进行解调，能够及时获取外场分布的细致信息。右图是多点FBG线型阵列的传感反射光谱示意图。多点FBG线型阵列的传感反射光谱示意图第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用3.准分布式光纤光栅多点传感系统设光源的光谱范围（或可调范围）为（和分别为起始波长和终止波长），对给定的光源为定值且较宽，如LED谱宽可达几十纳米。线型阵列中的第i个光栅中心波长为，带宽为，受外场（温度场、应力场等）作用的波长漂移量为，有式中，是纤芯的折射率；是光栅总周期数；是折射率变化条纹的可见度。对于弱光栅，有，则；对于强光栅，有，则。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用3.准分布式光纤光栅多点传感系统该光纤光栅所占用的总光谱区间为对于FBG线型阵中相邻的第i与第j两个FBG，设其受外场作用时波长的“红移量”分别为和，“蓝移量”分别为和，则两个FBG传感信号互不串扰必须满足的条件式中，。第十章10.3光纤光栅传感器1.1.1什么是传感器10.3.4FBG在传感领域中的应用3.准分布式光纤光栅多点传感系统