1、1光纖傳感器始于光纖傳感器始于19771977年，目前已進入研究與應用并年，目前已進入研究與應用并重階段。重階段。主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可撓性強、可實、可撓性強、可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭?，F(xiàn)不帶電的全光型探頭。頻帶寬、動態(tài)范圍大頻帶寬、動態(tài)范圍大?？捎煤芸捎煤芟嘟募夹g基礎相近的技術基礎構成傳感不同物理量的傳感器構成傳感不同物理量的傳感器便于與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)便于與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測系統(tǒng)的遙測和控制和控制可用高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等可用高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境惡劣

2、環(huán)境。結構簡單、體積小、重量輕、耗能少。結構簡單、體積小、重量輕、耗能少。2一次涂覆層纖芯 包層套層一次涂覆層 包層 纖芯 套層光纖波導的結構光纖波導的結構多層介質(zhì)結構：多層介質(zhì)結構：1、纖芯：石英玻璃，直徑、纖芯：石英玻璃，直徑5-75um，材料以二氧化硅為主，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。摻雜微量元素。2、包層：直徑、包層：直徑100-200um，折射率略低于纖芯。，折射率略低于纖芯。3、涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護。、涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護。4、尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。、尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。3 石英石英系列光纖（以

3、系列光纖（以SiOSiO2 2為主要材料）為主要材料） 按光纖組成材料劃分按光纖組成材料劃分 多多組分光纖（材料由多組成分組成）組分光纖（材料由多組成分組成） 液芯液芯光纖（纖芯呈液態(tài)）光纖（纖芯呈液態(tài)） 塑料光纖塑料光纖（以塑料為材料）（以塑料為材料） 階階躍型光纖（躍型光纖（SIFSIF） 光纖光纖種類種類 按按光纖纖芯折射率分布劃分光纖纖芯折射率分布劃分 漸變漸變型光纖（型光纖（GIFGIF） W W型光纖型光纖 單模光纖單模光纖（SMFSMF） 按按光纖傳輸模式數(shù)劃分光纖傳輸模式數(shù)劃分 多模光纖多模光纖（MMF MMF ）光纖的分類光纖的分類4為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導孔徑

4、角的正弦值為光為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導孔徑角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑（纖的數(shù)值孔徑（NANA），即：），即：光纖中的重要參數(shù)光纖中的重要參數(shù) 2sin1222100nnnnNA1、數(shù)值孔徑（NA,Numerical Aperture）52 2、光纖中的模式、光纖中的模式(Fiber Mode)(Fiber Mode) 電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁場根據(jù)由光纖結構決定的邊界條件，可求得滿足波動方程磁場根據(jù)由光纖結構決定的邊界條件，可求得滿足波動方程的特定的離散的解，而某一個解代表許多允許沿光纖波導傳的特定的離散的

5、解，而某一個解代表許多允許沿光纖波導傳播的波，每個允許傳播的解稱為光纖的模式，每個波具有不播的波，每個允許傳播的解稱為光纖的模式，每個波具有不同的振幅和傳播速度。同的振幅和傳播速度。光纖中可能傳播的模式有光纖中可能傳播的模式有橫電波、橫磁波和混合波橫電波、橫磁波和混合波。（1）橫電波）橫電波TEmn：縱軸方向只有磁場分量；橫截面上有：縱軸方向只有磁場分量；橫截面上有電場分量的電磁波。中下標電場分量的電磁波。中下標m表示電場沿圓周方向的變化周表示電場沿圓周方向的變化周數(shù)，數(shù)，n表示電場沿徑向方向的變化周數(shù)。表示電場沿徑向方向的變化周數(shù)。（2）橫磁波）橫磁波TMmn:縱軸方向只有電分量；橫截面上有

6、磁縱軸方向只有電分量；橫截面上有磁場分量的電磁波。場分量的電磁波。（3）混合波）混合波HEmn或或EHmn:縱軸方向既有電分量又有磁場縱軸方向既有電分量又有磁場分量，是橫電波和橫磁波的混合。分量，是橫電波和橫磁波的混合。無論哪種模式，當無論哪種模式，當m和和n的組合不同，表示的模式也不同。的組合不同，表示的模式也不同。63 3、光纖的歸一化頻率、光纖的歸一化頻率V V 歸一化頻率歸一化頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多少而引入的一個特征參數(shù)。少而引入的一個特征參數(shù)。其定義為：其定義為：222102221rnkNArnnrV其中，其中， r是光纖的纖芯半徑；

7、是光纖的纖芯半徑； 是光纖的工作波長；是光纖的工作波長； n1和和n2 分別是光纖的纖芯和包層折射率；分別是光纖的纖芯和包層折射率； k0 真空中的波數(shù)；真空中的波數(shù)； 光纖的相對折射率差。光纖的相對折射率差。74 4、傳播常數(shù)、傳播常數(shù) 傳播常數(shù)傳播常數(shù)是描述光纖中各模式傳輸特性的是描述光纖中各模式傳輸特性的 一個參數(shù)，一個參數(shù)，光纖中各模式的傳輸或截止都可以由該參數(shù)決定。光纖中各模式的傳輸或截止都可以由該參數(shù)決定。1020nknk光纖通信中信息就是由傳導模傳送的。傳導模的傳播常數(shù)是限制在纖芯到包層之間的，即cos2cos101nkn8截止波長是單模光纖特有的參數(shù)，對應于第一截止波長是單模光

8、纖特有的參數(shù)，對應于第一高階模的歸一化截止頻率高階模的歸一化截止頻率V Vc c=2.405=2.405時的波長。時的波長。5、截止波長截止波長 c22212221nVrnnVrcxc9光纖的損耗特性光纖的損耗特性損耗的定義損耗的定義當光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，當光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)表示：表示：oiPPLlg10 ( (單位：單位：dB/km)dB/km) 損耗大小影響光纖的傳輸距離長短和中繼距離的選擇。損耗大小影響光纖的傳輸距離長短和中繼距離的

9、選擇。損耗的種類損耗的種類吸收損耗：來源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；吸收損耗：來源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷，如瑞利散射；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。部分光纖傳感器利用了光纖的損耗特性。部分光纖傳感器利用了光纖的損耗特性。10光纖的損耗光纖的損耗損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面不理想氣泡、條紋、結石本征散射及其他瑞利散射布里淵散射拉曼散射吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收雜質(zhì)離子的吸收過渡族金屬離子OH- 離子彎曲損耗11色散的定義色散的定義色散

10、的種類色散的種類光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，隨傳輸距離增加，由于光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬不同成分的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬的物理效應。色散的物理效應。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對中繼距離有影響。主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對中繼距離有影響。色散的大小色散的大小常用時延差表示常用時延差表示，時延差是光脈沖中不同模式或不同波長成分，時延差是光脈沖中不同模式或不同波長成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時間差。傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時間差。模式色散：模式色散：模式色散是由于光纖不同模式在同一波長下傳播速度不同，使傳播時延不同而產(chǎn)生的色

11、散。只有多模光纖才存在模式色散，它主要取決于光纖的折射率分布。材料色散：材料色散：材料色散是由于光纖的折射率隨波長變化而使模式內(nèi)不同波長的光時間延遲不同產(chǎn)生的色散。取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導色散：波導色散：波導色散是由于波導結構參數(shù)與波長有關而產(chǎn)生的色散。取決于波導尺寸和纖芯包層的相對折射率差。12 波導色散和材料色散都是模式的本身色散，也稱模內(nèi)色散。對于多模光纖，既有模式色散，又有模內(nèi)色散，但主要以模式色散為主。梯度型光纖中模式色散大為減少。 而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導色散，由于波導色散比材料色散小很多，通?？梢院雎?。采用激光光源可有效減小材料色散

12、的影響。13光纖傳感器一般可分為兩大類：光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是一類是功能型傳感器功能型傳感器（Function Fiber Optic Sensor），又稱），又稱FF型型光纖傳感器；利用光纖本身感受被測量變化而改變傳輸光的光纖傳感器；利用光纖本身感受被測量變化而改變傳輸光的特性，光纖既是特性，光纖既是傳光傳光元件，又是元件，又是敏感敏感元件。元件。另一類是另一類是非功能型傳感器非功能型傳感器（Non-Function Fiber Optic Sensor），），又稱又稱NF型型光纖傳感器。利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖傳感器。利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光

13、信號的光纖僅作為光信號的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)。7.1.4 光纖傳感器的分類14這類傳感器利用光纖本身對被測對象具有敏感能力和檢測功能，這類傳感器利用光纖本身對被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到光纖不僅起到傳光作用傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強、相位、，而且在被測對象作用下，如光強、相位、偏振態(tài)等偏振態(tài)等光特性得到調(diào)制光特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。傳光型光纖傳感器的光纖只當作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制傳光型光纖傳感器的光纖只當作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光功能是由其它光電轉換元件實

14、現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。纖只起傳光作用。15光纖傳感器的分類列表光纖傳感器的分類列表167.2 光纖的光波調(diào)制技術強度調(diào)制 相位調(diào)制 偏振調(diào)制 頻率調(diào)制 波長調(diào)制171、強度調(diào)制：IDttIS信號信號入射光入射光強度調(diào)制強度調(diào)制光源光源出射光出射光輸出輸出ID光探測器光探測器強度調(diào)制原理強度調(diào)制原理Iit18強度調(diào)制強度調(diào)制是利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸是利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導致光強度發(fā)生變化來實現(xiàn)敏感收或反射等參數(shù)的變化，而導致光強度發(fā)生變化來實現(xiàn)敏感測量的。測量的。AA221FA調(diào)制原理：調(diào)制原理：19光是一

15、種橫波。光振動的電場矢量光是一種橫波。光振動的電場矢量E E 和磁場矢量和磁場矢量H H 和光線的傳和光線的傳播方向播方向s s 正交。按照光的振動矢量正交。按照光的振動矢量E E、H H 在垂直于光線平面內(nèi)矢在垂直于光線平面內(nèi)矢量軌跡的不同，又可分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和量軌跡的不同，又可分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。偏振調(diào)制就是利用光偏振態(tài)的變化來傳遞被測對部分偏振光。偏振調(diào)制就是利用光偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象的信息。象的信息。2、偏振調(diào)制調(diào)制原理： 普克爾Pockels效應(電光效應) 法拉第磁光效應 光彈效應解調(diào)原理：檢偏器20偏振調(diào)制的解調(diào)原理渥拉斯頓棱

16、鏡渥拉斯頓棱鏡解調(diào)原理解調(diào)原理 解偏過程：如圖為偏振光分束器，解偏過程：如圖為偏振光分束器，方解石組成。兩棱鏡光軸垂直，光線方解石組成。兩棱鏡光軸垂直，光線垂直入射到垂直入射到No.1，光束不分開，但，光束不分開，但o光光1和和e光光1速度不同。速度不同。到達到達No.2時，光軸垂直，時，光軸垂直，o光光1和和e光光1的角色互換，的角色互換，o光光2對應的折射率對應的折射率從從n0到到ne，e光光2對應的折射率從對應的折射率從ne到到n0，nen0，所以兩光束分開。偏振角，所以兩光束分開。偏振角為為。2光線1光線光信號被調(diào)制的光束傳播示意圖光束傳播示意圖eooe45o光信號被調(diào)制的212121

17、2sinIIII4cos:2A光分量振幅軸4sin:1A光分量振幅軸 偏振角與光分量的關系：偏振角與光分量的關系：1軸2軸OAA參考矢量44sinA4sinA 偏振角偏振角與光源強度和通道能量衰減無關，只與兩分光束與光源強度和通道能量衰減無關，只與兩分光束的光強有關系。由偏振角的光強有關系。由偏振角值可推知需要傳感的物理量值可推知需要傳感的物理量 兩光分量對應的振幅分別為：兩光分量對應的振幅分別為：22相位調(diào)制的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏相位調(diào)制的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化

18、，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。3、相位調(diào)制應力應變效應：應力應變效應：光纖長度變化光彈效應光彈效應: :光纖芯折射率變化磁致伸縮效應：磁致伸縮效應：光纖芯直徑變化聲光效應聲光效應光熱效應光熱效應薩格納克薩格納克(Sagnac)(Sagnac)效應效應檢測原理檢測原理相位解調(diào)原理：相位解調(diào)原理：光外差檢測原理光外差檢測原理23典型干涉測量儀與光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎厚R赫-澤德爾(Mach-Zende

19、r)干涉儀法布里-泊羅(Fabry-Perot)干涉儀邁克爾遜(Michelson)干涉儀薩格納克(Sagnac)干涉儀常用干涉儀常用光纖干涉?zhèn)鞲衅魇抢蒙鲜鲈碛晒饫w常用光纖干涉?zhèn)鞲衅魇抢蒙鲜鲈碛晒饫w實現(xiàn)的干涉型光纖傳感器。實現(xiàn)的干涉型光纖傳感器。241. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀干涉原理：當激光束分得的兩光束的光程差小于激光的相干長干涉原理：當激光束分得的兩光束的光程差小于激光的相干長度時，射到光檢測器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉，且相位差為：度時，射到光檢測器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉，且相位差為：lk 02為兩相干光的光程差數(shù)；為光在空氣中的傳播常lk20傳感器傳感器25傳感器2.

20、馬赫澤德爾干涉儀馬赫澤德爾干涉儀由移動平面鏡的位移獲得兩相干光束的相位差，在光檢由移動平面鏡的位移獲得兩相干光束的相位差，在光檢測器是產(chǎn)生干涉。測器是產(chǎn)生干涉。優(yōu)點：沒有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對干優(yōu)點：沒有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對干涉影響小。涉影響小。263. 薩格納克干涉儀薩格納克干涉儀激光器輸出的兩束光沿著激光器輸出的兩束光沿著一條由一個分束器和三個平面一條由一個分束器和三個平面鏡構成的閉合光路反方向傳輸鏡構成的閉合光路反方向傳輸, ,它們重新合路后再入射到光檢它們重新合路后再入射到光檢測器測器, ,同時一部分光又返回到同時一部分光又返回到激光器。激光器。當平臺沿垂

21、直于光束當平臺沿垂直于光束平面旋轉時，兩方向相反的光平面旋轉時，兩方向相反的光束到達檢測器的延遲不同，從束到達檢測器的延遲不同，從而產(chǎn)生相位變化。而產(chǎn)生相位變化。若平臺以角速度若平臺以角速度順時針旋轉時，則在順時針方向傳播的順時針旋轉時，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲大。這個相位延遲量可表示為：光較逆時針方向傳播的光延遲大。這個相位延遲量可表示為：cAlk008通過檢測通過檢測干涉條紋的變化干涉條紋的變化，就知道旋轉速度，就知道旋轉速度，它是目前許它是目前許多慣性導航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光線陀螺的設計基礎。多慣性導航系統(tǒng)所用的環(huán)形激光陀螺和光線陀螺的設計基礎。為兩相干光的光

22、程差l274. 法布里法布里-珀羅干涉儀珀羅干涉儀傳感器傳感器它是由兩塊平行的部分透射平面鏡組成的。這兩塊平面鏡的反射率(反射系數(shù))通常是大于95%。假定反射率為95%,那么在任何情況下,激光器輸出光的95%將朝著激光器反射回來,余下的5%的光將透過平面鏡而進入干涉儀的諧振腔內(nèi)。其干涉原理是多光束干涉，其干涉光強度的變化為：50 3略有傾角平面鏡外表面不平行， 22140sin12RRII285. 光纖干涉儀傳感器光纖干涉儀傳感器A: 邁克爾遜干涉儀；邁克爾遜干涉儀；b：馬赫：馬赫-澤德干涉儀；澤德干涉儀；c: 塞格納克干涉儀；塞格納克干涉儀； d：法布里：法布里-珀羅干涉儀珀羅干涉儀敏感器敏

23、感器敏感器敏感器部分透射反射鏡294、頻率調(diào)制及解調(diào)利用外界因素改變光的頻率，通利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量外界過檢測光的頻率變化來測量外界物理量。物理量。目前主要是利用光學多普勒效應實現(xiàn)目前主要是利用光學多普勒效應實現(xiàn)頻率調(diào)制。如圖所示頻率調(diào)制。如圖所示,P點物體的運動點物體的運動將將S點光源發(fā)出的光散射到點光源發(fā)出的光散射到Q點被觀點被觀察到，設光頻為察到，設光頻為f1，由雙重多普勒頻，由雙重多普勒頻移原理可得：移原理可得：SQP2112coscos1cvff解調(diào)過程：解調(diào)過程：與相位調(diào)制的解調(diào)相同，需要兩束光干涉，在檢與相位調(diào)制的解調(diào)相同，需要兩束光干涉，在檢測器

24、上產(chǎn)生差頻，光電流經(jīng)頻譜分析器處理，求出頻率變化。測器上產(chǎn)生差頻，光電流經(jīng)頻譜分析器處理，求出頻率變化。307.3 光纖傳感器實例7.3.1 光纖位移傳感器光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器結構如圖所示。根據(jù)被測目標表面光反射反射式光纖位移傳感器結構如圖所示。根據(jù)被測目標表面光反射至接收光纖束的光強度的變化來測量被測表面距離的變化。至接收光纖束的光強度的變化來測量被測表面距離的變化。所使用所使用光纖束的特性光纖束的特性是影響這種類型光是影響這種類型光纖傳感器的靈敏度的主要因素之一。在纖傳感器的靈敏度的主要因素之一。在光纖探頭的端部光纖探頭的端部, ,發(fā)射光纖與接收光纖發(fā)射光纖與接收光纖一般有四

25、種分布一般有四種分布:(a):(a)隨機分布隨機分布;(b);(b)半球半球形對開分布形對開分布;(c);(c)共軸內(nèi)發(fā)射分布共軸內(nèi)發(fā)射分布;(d);(d)共共軸外發(fā)射分布，如圖所示。軸外發(fā)射分布，如圖所示。mmd127. 031典典型位移輸出曲線如圖所示。在型位移輸出曲線如圖所示。在輸出曲線的前坡區(qū)輸出曲線的前坡區(qū)I,I,輸出信號強度輸出信號強度增加得很快增加得很快, ,這一區(qū)域可以用于微這一區(qū)域可以用于微米級的位移測量。在后坡區(qū)米級的位移測量。在后坡區(qū)II,II,信信號的減弱約與探頭和被測表面之間號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比的距離平方成反比, ,可用于距離較可用于距離較遠

26、而靈敏度、線性度和精度要求不遠而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。高的測量。反射式光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器的原的原理如右圖。理如右圖。1 1、探頭緊貼被測件時，無光接探頭緊貼被測件時，無光接收沒有電信號。收沒有電信號。2 2、被測表面逐漸遠離探頭時，、被測表面逐漸遠離探頭時，有一個有一個線性增長線性增長的輸出信號。有的輸出信號。有一最大輸出值一最大輸出值“光峰點光峰點”。3 3、繼續(xù)遠離時，輸出信號越來繼續(xù)遠離時，輸出信號越來越弱，與越弱，與距離平方成反比距離平方成反比。III5 . 0132 相位相位干涉式位移傳感器干涉式位移傳感器 Mach-Zehnder光纖干涉儀是應用較為廣

27、泛的一種干涉儀。光纖干涉儀是應用較為廣泛的一種干涉儀?？梢杂糜跍y量位移，其工作原理如圖可以用于測量位移，其工作原理如圖33 34 外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長度外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長度L和直徑和直徑d變化以及折變化以及折射率射率n變化。變化。為了改善光纖對壓力的傳感靈敏度，通常在包層外再涂復一為了改善光纖對壓力的傳感靈敏度，通常在包層外再涂復一層特殊材料。傳感臂上涂復材料具有層特殊材料。傳感臂上涂復材料具有“增敏增敏”特性，而參考特性，而參考光纖涂復材料對傳感量具有光纖涂復材料對傳感量具有“去敏去敏”特性。這樣可以有效提特性。這樣可以有效提高檢測信噪比。高檢測信噪比。當光纖表面涂復對

28、其它物理量敏感的材料時，例如磁致伸縮當光纖表面涂復對其它物理量敏感的材料時，例如磁致伸縮材料、鋁導電膜和壓電材料等，則可以實現(xiàn)對其它物理量，材料、鋁導電膜和壓電材料等，則可以實現(xiàn)對其它物理量，如磁場、電流、電壓等的檢測。如磁場、電流、電壓等的檢測。35D DS SF FF F變形器變形器光纖光纖A A微彎光纖壓力傳感器微彎光纖壓力傳感器光纖被夾在一對鋸齒板中間，光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當鋸中穿過，沒有能量損失。當鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在光纖則發(fā)生許多微彎，這時

29、在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁坷w芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又蟹稚⑸涞桨鼘又? . 光纖微彎增大，散射掉的光隨之光纖微彎增大，散射掉的光隨之增加，纖芯輸出光強度相應減小。增加，纖芯輸出光強度相應減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。等物理量。36光纖應變傳感器光纖應變傳感器采用脈沖傳輸時間法可以測量自由空間光路采用脈沖傳輸時間法可以測量自由空間光路的長度。這種方法通過測量光信號到達靶的長度。這種方法通過測量光信號到達靶體又反射回來所占用的時

30、間來確定光經(jīng)過體又反射回來所占用的時間來確定光經(jīng)過的距離。的距離。用光纖做測量光路，傳輸時間法可適用于任用光纖做測量光路，傳輸時間法可適用于任意彎曲光路及其變化的測量。意彎曲光路及其變化的測量。37分布式光纖傳感器38 光纖某一點受溫度或應力作用時，該點的散射特性將發(fā)光纖某一點受溫度或應力作用時，該點的散射特性將發(fā)生變化，因此通過顯示損耗與光纖長度的對應關系來檢測生變化，因此通過顯示損耗與光纖長度的對應關系來檢測外界信號分布于傳感光纖上的擾動信息。圖給出了一種基外界信號分布于傳感光纖上的擾動信息。圖給出了一種基于后向散射光檢測的于后向散射光檢測的OTDR原理圖。原理圖?；诤笙蛏⑸涔鈾z測的基于

31、后向散射光檢測的OTDROTDR原理圖原理圖 脈沖激光光源后向散射回波傳 感 光纖3dB光電檢測與信號處理系統(tǒng)39由于外界因素引起的沿光纖長度上的某一點散射信號由于外界因素引起的沿光纖長度上的某一點散射信號的變化，可以通過的變化，可以通過OTDR方法獨立地探測出來，而不受其方法獨立地探測出來，而不受其他點散射信號改變的影響，因此可以采用他點散射信號改變的影響，因此可以采用OTDR方法實現(xiàn)方法實現(xiàn)對光纖的分布式測量。對光纖的分布式測量。 相對回波光功率初始脈沖初始脈沖作用點作用點終端費涅爾回波終端費涅爾回波長度長度Z后向散射光檢測波形示意圖后向散射光檢測波形示意圖 40* 光纖光柵傳感器光纖光柵

32、傳感器光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器(FBG)是利用是利用 Bragg波長對溫波長對溫度、應力的敏感特性而制成的一種新型的度、應力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器。光纖傳感器。 414243 2 、光纖布喇格光柵傳感原理、光纖布喇格光柵傳感原理 光纖光柵纖芯中的折射率調(diào)制周期由下式給光纖光柵纖芯中的折射率調(diào)制周期由下式給出：出：這里UV是紫外光源波長， 是兩相干光束之間的夾角。44 由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時，入射光能在相應的波在光柵中傳播時，入射光能在相應的頻率上

33、被反射回來，其余的透射光譜則頻率上被反射回來，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。這類調(diào)諧波長反射現(xiàn)象首先是由威用。這類調(diào)諧波長反射現(xiàn)象首先是由威廉廉布喇格爵士給出解釋的，因而這種光布喇格爵士給出解釋的，因而這種光纖光柵被稱為布喇格光纖光柵，其反射纖光柵被稱為布喇格光纖光柵，其反射條件被稱為布喇格條件。在條件被稱為布喇格條件。在BraggBragg光柵中，光柵中，反射的中心波長由下式確定：反射的中心波長由下式確定：45 其中其中 n neffeff 是光纖芯區(qū)有效折射率。是光纖芯區(qū)有效折射率。 是光纖是光纖光柵的柵距即周期。光柵的柵距即周期。

34、只有滿足布拉格條件的光只有滿足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射。對上式取微分可得：波才能被布喇格光柵反射。對上式取微分可得：從式中可以看出，當外界的應力發(fā)生改變時，將會導致光纖光柵的或者neff的改變，因而檢測光纖光柵中心反射波長的變化，可以獲知外界應力的變化。46則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中去。具有相同波長的反射光中去。設設0=2neff/0，其中，其中0為輸入光的波長，為輸入光的波長，neff為波導為波導或光纖的有效折射率。也就是說，如果或光纖的有效折射率。也就是說，如果0=2neff，光波將發(fā)生反射，這

35、個波長光波將發(fā)生反射，這個波長0就稱作就稱作布喇格波長布喇格波長。47光纖光柵的柵距光纖光柵的柵距可通過改變寫入光柵的兩可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度得到調(diào)整，從而相干紫外光束的相對角度得到調(diào)整，從而可以制作出不同反射波長的可以制作出不同反射波長的BraggBragg光柵。光柵。48 光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的應力光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的應力或者應變發(fā)生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生或者應變發(fā)生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵變化，從而產(chǎn)生光柵 Bragg 信號的波長位移信號的波長位移 ，通過監(jiān)，通過監(jiān)測測 B

36、ragg 波長位移情況，即可獲得柵周圍的應力或者應變波長位移情況，即可獲得柵周圍的應力或者應變變化情況。變化情況。 由外界應力引起光纖光柵軸向應變和折射率變化造成光由外界應力引起光纖光柵軸向應變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長移動，由下式給出：柵布拉格反射波長移動，由下式給出：這里這里B是光柵布拉格反射波長，是光柵布拉格反射波長，B為在外界應力作用下光為在外界應力作用下光柵布拉格反射波長移動量，柵布拉格反射波長移動量，是光纖軸向應變，可表示為：是光纖軸向應變，可表示為：49在實際應用中，在實際應用中， 是個很小的量，為此引入應變量是個很小的量，為此引入應變量的的10-6，作為光纖光柵度量單位

37、。作為光纖光柵度量單位。50FBG所具有的多傳感器復用能力，使它所具有的多傳感器復用能力，使它在準分布測量、多參數(shù)組合測量等方面在準分布測量、多參數(shù)組合測量等方面顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復合材顯現(xiàn)了非常誘人的前景，因而在復合材料固化監(jiān)控、大型土建結構內(nèi)部應變分料固化監(jiān)控、大型土建結構內(nèi)部應變分布及大型電力設備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)布及大型電力設備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應用前景?？氐确矫婢哂袕V泛的應用前景。 51光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計算機 使用現(xiàn)場使用現(xiàn)場控制室內(nèi)控制室內(nèi)傳輸光纜連接光纜FBG探頭52 3 、光纖布喇格光柵解調(diào)原理、光纖布喇格光柵解調(diào)原理光纖布喇格光柵的解調(diào)有

38、多種方法，下面介紹光纖布喇格光柵的解調(diào)有多種方法，下面介紹匹匹配光纖光柵解調(diào)法配光纖光柵解調(diào)法。匹配光纖光柵檢測信號的。匹配光纖光柵檢測信號的基本原理如下圖所示，其中左圖為傳感光柵與基本原理如下圖所示，其中左圖為傳感光柵與解調(diào)光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢解調(diào)光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢測到的信號測到的信號53選用一個與傳感光纖光柵選用一個與傳感光纖光柵 FBGFBG1 1 參數(shù)相近的光纖光柵參數(shù)相近的光纖光柵 FBGFBG2 2 （匹配光柵）作為檢測光柵，使兩個光柵的反（匹配光柵）作為檢測光柵，使兩個光柵的反射譜部分重疊，即設置合適的偏置傳感光纖光柵射譜部分重疊，即設置合適的偏

39、置傳感光纖光柵的輸出信號為檢測光纖光柵的輸入信號。輸出信號、的輸出信號為檢測光纖光柵的輸入信號。輸出信號、輸入信號都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。輸入信號都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。 54當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)光柵的譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)光柵的反射譜是相對固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸反射譜是相對固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時，只有與兩光柵的反射譜重疊部入給解調(diào)光柵時，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對應的范圍內(nèi)的光波才可能被反射，而重疊分相對應的范圍內(nèi)的

40、光波才可能被反射，而重疊部分的面積與反射譜的光強度成正比部分的面積與反射譜的光強度成正比 55當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較大，反之則較小，即檢測器檢測到的光信號較大，反之則較小，即檢測器檢測到的光強是檢測光纖光柵的光強是檢測光纖光柵 FBG1和匹配光纖光柵和匹配光纖光柵FBG2兩個光譜函數(shù)的卷積。隨著兩個光譜函數(shù)的卷積。隨著 FBG1上的微擾，上的微擾，在在 FBG2的反射譜中可檢測到相對應的一定光強的反射譜中可檢測到相對應的一定光強度的光信號。度的光信號。56光纖光柵分布傳感技術是先進傳感技術發(fā)展的新階段，它滿光纖光柵分布傳感

41、技術是先進傳感技術發(fā)展的新階段，它滿足了現(xiàn)代結構監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的足了現(xiàn)代結構監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術要求。技術要求。 光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干擾能力光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干擾能力強、集傳感與傳輸于一體、易于制作和埋入等優(yōu)點，強、集傳感與傳輸于一體、易于制作和埋入等優(yōu)點，而且光柵具有波長分離能力強、對環(huán)境干擾不敏感、而且光柵具有波長分離能力強、對環(huán)境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度極高、能絕對數(shù)字測量和精確定傳感精度和靈敏度極高、能絕對數(shù)字測量和精確定位的優(yōu)點。位的優(yōu)點。 57特別是它可實現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應用要特別是它可實現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應用要求刻寫多個不同布喇格波長的光柵，在光纖一端實現(xiàn)求刻寫多個不同布喇格波長的光柵，在光纖一端實現(xiàn)所有光柵信號的檢測；同時能進一步集合成分布傳感所有光柵信號的檢測；同時能進一步集合成分布傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，可廣泛應用于對工程結構的應力、應變、網(wǎng)絡系統(tǒng)，可廣泛應用于對工程結構的應力、應變、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實時在線、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)