傳感技術(shù)課件

——第六章光電式傳感器本章內(nèi)容6.1光纖概述6.2光纖用光源和傳輸連接器件6.3光纖傳感原理6.4光纖光柵傳感器6.5光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)代傳感器技術(shù) <2/108>6.1光纖概述光纖測(cè)量技術(shù)：以光波為載體，光纖為媒質(zhì)來(lái)感知和傳輸外界被測(cè)信號(hào)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <3>6.1光纖概述(1)光纖的基本結(jié)構(gòu)纖芯、包層、涂敷層、護(hù)套主體----纖芯與包層現(xiàn)代傳感器技術(shù) <4>特殊場(chǎng)合：沒(méi)有涂敷層和護(hù)套---裸纖6.1光纖概述光纖裸纖一般分為三層：中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為50或62.5μm）中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125μm）最外是加強(qiáng)用的樹(shù)脂涂層。現(xiàn)代傳感器技術(shù) <5>6.1光纖概述纖芯---石英玻璃；直徑：5~75μm；材料：二氧化硅（主體），摻雜其他微量元素---提高折射率包層---直徑：100~200μm；材料：二氧化硅（主體）---折射率略低于纖芯。涂敷層---材料：硅酮或丙烯酸鹽---隔離雜光。護(hù)套---材料:尼龍/其他有機(jī)材料---提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。現(xiàn)代傳感器技術(shù) <6>6.1光纖概述光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱光纖：是一種達(dá)致光在玻璃或塑料制成的纖維中，以全反射原理傳輸?shù)墓鈧鲗?dǎo)工具。微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常光纖的一端的發(fā)射設(shè)備使用發(fā)光二極管或一束激光將光脈沖發(fā)送至光纖；另一端的接收設(shè)備使用光敏組件檢測(cè)脈沖。包含光纖的線纜稱為光纜。在日常生活中，由于光在光導(dǎo)纖維的傳導(dǎo)損耗比電在電線傳導(dǎo)的損耗低得多，光纖被用作長(zhǎng)距離的信息傳遞?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <7>6.1光纖概述(2)原理光纖是圓柱形的介質(zhì)波導(dǎo)，應(yīng)用全反射原理來(lái)傳導(dǎo)光線。光纖的結(jié)構(gòu)大致分為里面的核心部分與外面的包覆部分。為了要局限光信號(hào)于核心，包覆的折射率必須小于核心的折射率。漸變光纖的折射率是緩慢改變的，從軸心到包覆，逐漸地減??；而突變光纖在核心-包覆邊界區(qū)域的折射率是急劇改變的現(xiàn)代傳感器技術(shù) <8>6.1光纖概述折射率：可用來(lái)計(jì)算在物質(zhì)里的光線速度。在真空里，及外太空，光線的傳播速度最快，大約為3億米／秒。一種物質(zhì)的折射率是真空光速除以光線在這物質(zhì)里傳播的速度真空折射率是1。折射率越大，光線傳播的速度越慢。通常光纖的核心的折射率是1.48，包覆的折射率是1.46。所以，光纖傳導(dǎo)信號(hào)的速度大約為2億米／秒。電話信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖傳導(dǎo)，從紐約到悉尼，大約12000公里距離，會(huì)有最低0.06秒時(shí)間的延遲?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <9>6.1光纖概述全反射：當(dāng)移動(dòng)于密度較高的介質(zhì)的光線，以大角度入射于核心-包覆邊界時(shí)，假若入射角（光線與邊界面的法線之間的夾角）的角度大于臨界角的角度，則這光線會(huì)被完全地反射回去。光纖就是應(yīng)用這種效應(yīng)來(lái)局限傳導(dǎo)光線于核心。在光纖內(nèi)部傳播的光線會(huì)被邊界反射過(guò)來(lái)，反射過(guò)去。由于光線入射于邊界的角度必須大于臨界角的角度，只有在某一角度范圍內(nèi)射入光纖的光線，才能夠通過(guò)整個(gè)光纖，不會(huì)泄漏損失。這角度范圍稱為光纖的受光錐角，是光纖的核心折射率與包覆折射率的差值的函數(shù)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <10>6.1光纖概述簡(jiǎn)言之，光線射入光纖的角度必須小于受光角的角度，才能夠傳導(dǎo)于光纖核心。受光角的正弦是光纖的數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑越大的光纖，越不需要精密的熔接和操作技術(shù)。單模光纖的數(shù)值孔徑比較小，需要比較精密的熔接和操作技術(shù)。現(xiàn)代傳感器技術(shù) <11>6.1光纖概述全反射：光密介質(zhì)1→光疏介質(zhì)2(n1>n2)現(xiàn)代傳感器技術(shù) <12>θ1θ2n2n1θc→θ1<θ2

θ1↑→θ2↑臨界角：θ2=90o→θ1=θC→→θ2=90o→θ2>90o→全反射

6.1光纖概述光纖波導(dǎo)原理：光線射入光纖的角度必須小于受光角的角度，才能夠傳導(dǎo)于光纖核心?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <13>光束：空氣→纖芯n1→從一端到另一端空氣→纖芯：纖芯→包層：（全反射）

空氣n0、纖芯n1、包層n2(n1>n2>n0)集光性能6.1光纖概述

(3)光纖模式光波在光纖中的傳播途徑和方式，是離散的。①單模光纖核心直徑小于傳播光波波長(zhǎng)約十倍的光纖，不能用幾何光學(xué)理論來(lái)分析其物理性質(zhì)。必須改用麥克斯韋方程組來(lái)分析，視為光學(xué)波導(dǎo)。只傳輸主模(長(zhǎng)1310nm/1550nm)；傳輸頻帶寬，適于大容量，長(zhǎng)距離通訊。優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高缺點(diǎn)：纖芯較小，制造、連接、耦合困難現(xiàn)代傳感器技術(shù) <14>單模光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)：1.核心：直徑8μm2.包覆：直徑125μm3.緩沖層：直徑250μm4.外套：直徑400μm6.1光纖概述②

多模光纖核心直徑較大的光纖（大于10微米）的物理性質(zhì)，可以用幾何光學(xué)的理論來(lái)分析。在工作波長(zhǎng)（850nm/1300nm）下多個(gè)模式在光纖中傳輸；頻帶較窄，適于小容量，短距離。優(yōu)點(diǎn)：纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。缺點(diǎn)：性能較差?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <15>6.1光纖概述單模光纖和多模光纖現(xiàn)代傳感器技術(shù) <16>6.1光纖概述

(4)光纖分類1.按原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、復(fù)合材料（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。2.按傳輸模式：?jiǎn)文９饫w、多模光纖。單模光纖只傳輸一種模式，多模光纖能傳幾百至幾千種模式。3.按折射率分布：階躍型、近階躍型、漸變型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。4.按工作波長(zhǎng)：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖。短波長(zhǎng)光纖為0.8～0.9μm的光纖；長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖為1.0～1.7μm；超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖為2μm以上。5.按制造方法：汽相軸向沉積、化學(xué)汽相沉積，拉絲法等現(xiàn)代傳感器技術(shù) <17>塑料光纖多模光纖6.1光纖概述

(5)光纖特性1.物理特性：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用兩根光纖組成傳輸系統(tǒng)。按波長(zhǎng)分3種：0.85μm短波長(zhǎng)區(qū)，多模光纖方式；1.3μm長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)，多模和單模兩種方式；1.55μm長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)，單模光纖方式。2.傳輸特性：通過(guò)內(nèi)部全反射傳輸光信號(hào)，傳輸率Gb/s級(jí)，信號(hào)損耗和衰減非常小，適合長(zhǎng)距離傳輸。3.連通性：普遍用于點(diǎn)到點(diǎn)鏈路。功率損失和衰減小，帶寬較大，支持比雙絞線或同軸電纜多的分接頭數(shù)。4.傳輸范圍：6～8km距離內(nèi)不用中繼器傳輸。5.抗干擾性：不受電磁干擾及噪聲影響的獨(dú)有特征，長(zhǎng)距離保持高數(shù)據(jù)傳輸率，很好安全性?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <18>6.1光纖概述1．光纖的損耗——固有損耗和附加損耗固有損耗由光纖材料特性決定，包括散射損耗、吸收損耗和因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。附加損耗由光纖鋪設(shè)過(guò)程中人為造成的，包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗，應(yīng)盡量避免的。2．光纖的色散光脈沖傳播時(shí)因各波長(zhǎng)群速度不同產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象，與波速、波長(zhǎng)變化有關(guān)現(xiàn)代傳感器技術(shù) <19>6.1光纖概述色散原因：光源發(fā)出的并不是單色光；調(diào)制信號(hào)有一定的帶寬。分類：①模式色散：多模光纖中不同模式的光因傳播速度不同而引起的色散。②色度色散：光源光譜中不同波長(zhǎng)在光纖中的群延時(shí)差所引起的光脈沖展寬現(xiàn)象。③偏振模色散：當(dāng)光纖存在雙折射時(shí)，因單模光纖中存在偏振方向相互正交的兩個(gè)基模的傳輸速度不同而引起的色散?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <20>6.1光纖概述（7）光纖的偏振與雙折射1.單模光纖僅傳播HE11一種模式。理想情況下HE11模為垂直于光纖軸線的線偏光，可以分解為彼此獨(dú)立、互不影響的兩個(gè)正交偏振分量HEX11

和HEY11

，它們的傳播常數(shù)相等，即x=y，在傳播過(guò)程中始終保持相位相同。實(shí)際的光纖總含有一些非對(duì)稱因素，使兩個(gè)本來(lái)簡(jiǎn)并的模式HEX11和HEY11的傳播常數(shù)出現(xiàn)異常，即x-y≠0。線偏態(tài)沿光纖不再保持不變而發(fā)生連續(xù)變化，該現(xiàn)象稱為光纖的雙折射效應(yīng)?？捎脷w一化雙折射系數(shù)B或拍長(zhǎng)表示現(xiàn)代傳感器技術(shù) <21>

nav——單模光纖的平均折射率；av——單模光纖的平均傳播常數(shù)。通常在10cm～2m之間6.1光纖概述2.保偏/高雙折射率光纖，B值達(dá)10-4～10-3量級(jí)，相當(dāng)于在毫米量級(jí)，結(jié)構(gòu)如下所示。3.低雙折射率光纖，B為10-7量級(jí)以下，達(dá)100m以上的單模光纖。

結(jié)論：上述單模光纖實(shí)際存在著兩個(gè)彼此獨(dú)立的正交模態(tài)，為雙模態(tài)工作。純單模光纖時(shí)輸入任何偏振態(tài)的光都只有線偏光輸出，因此也稱起偏光纖?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <22>本章內(nèi)容6.1光纖概述6.2光纖用光源和傳輸連接器件6.3光纖傳感原理6.4光纖光柵傳感器6.5光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)代傳感器技術(shù) <23/108>6.2光纖用光源和傳輸連接器件（1）光纖用光源要求：體積小、便于耦合頻譜特性與光纖波導(dǎo)的傳輸頻響特性匹配在工作波長(zhǎng)下輸出光通量應(yīng)最大特定條件下要求光源的相干性好。穩(wěn)定性好、室溫下能夠連續(xù)長(zhǎng)期工作，信噪比高、使用方便?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <24>6.2光纖用光源和傳輸連接器件分類：非相干光源a.熱光源，由于穩(wěn)定性和調(diào)制速率的限制，一般不提倡選用。b.氣體放電光源，高強(qiáng)度和短波長(zhǎng)，如通過(guò)高強(qiáng)度短波長(zhǎng)的光激發(fā)待測(cè)物質(zhì)，使其發(fā)射熒光，可用來(lái)檢測(cè)物質(zhì)的溫度、含量等。c.發(fā)光二極管，可靠性較高，光功率好等，常用在一些簡(jiǎn)易的光纖傳感器中。現(xiàn)代傳感器技術(shù) <25>6.2光纖用光源和傳輸連接器件相干光源——主要是各種類型的激光器a.固體激光器：激光物質(zhì)為固體，輸出能量大、峰值功率高、便于光纖耦合、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格適中，有一定應(yīng)用，可用于測(cè)量吸收光譜。b.液體激光器：激光物質(zhì)是液體，很少使用。c.氣體激光器：激光物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。有很高的連續(xù)功率，非常適合光纖傳感。分布式光纖傳感器系統(tǒng)中，一般選用氣體特別是氬離子激光器。d.半導(dǎo)體激光二極管：效率高、體積小，波長(zhǎng)范圍較寬，價(jià)格低，光纖混合傳感器中應(yīng)用非常廣泛。但工作一定時(shí)間后性能將退化或變質(zhì)，不適于在一些須長(zhǎng)期使用、不便更換的光纖傳感器中?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <26>6.2光纖用光源和傳輸連接器件e.面發(fā)射激光器：光從垂直于半導(dǎo)體襯底表面的方向射出的半導(dǎo)體激光器。光纖結(jié)合容易、可做成密集排列的二維激光陣列，使光纖傳感進(jìn)行小面積內(nèi)同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量及龐大的傳感器系統(tǒng)微小化得以實(shí)現(xiàn)f.光纖激光器：激光物質(zhì)為稀土離子摻雜光纖。有摻稀土光纖激光器、光纖光柵激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器等。具有易使低泵浦連續(xù)工作；閾值低，增益高，熱效應(yīng)低；可制成窄線寬、可調(diào)諧激光器；能很好與光纖耦合，進(jìn)行全光纖測(cè)試，可傳輸系統(tǒng)光源等優(yōu)點(diǎn)。在下一代光纖傳感器中有非常好的應(yīng)用前景。g.ASE光源：最常用的一種高穩(wěn)定、高功率輸出的寬帶光源，是理想光源?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <27>6.2光纖用光源和傳輸連接器件現(xiàn)代傳感器技術(shù) <28>氣體放電光源發(fā)光二極管固體激光器CO2氣體激光器6.2光纖用光源和傳輸連接器件現(xiàn)代傳感器技術(shù) <29>面發(fā)射激光器光纖激光器ASE光源性能ASE光源6.2光纖用光源和傳輸連接器件（2）光纖無(wú)源器件為光纖傳輸系統(tǒng)提供媒介、連接及固定，包括光纖適配器、光纖活動(dòng)連接器、光纖配線架、光纖衰減器、光分路器、光波分復(fù)用器、光纖光纜等。光纖連接器用于連接兩根光纖或光纜形成連續(xù)光通路，目前使用最多。由兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管組成。性能要求：①光學(xué)性能：要求插入損耗<0.5dB，回波損耗>25dB②互換性、重復(fù)性③抗拉強(qiáng)度：>90N。④溫度：-40℃~+70℃能夠正常使用。⑤插拔次數(shù)：可插拔l000次以上?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <30>6.2光纖用光源和傳輸連接器件光纖無(wú)源器件類型現(xiàn)代傳感器技術(shù) <31>6.2光纖用光源和傳輸連接器件2.光纖耦合器將光訊號(hào)從一條光纖中分至多條光纖中。傳送和分配光信號(hào)的無(wú)源器件。分類：依據(jù)耦合器傳送信號(hào)方式透射型MN耦合器反射型IN耦合器透反型MN耦合器現(xiàn)代傳感器技術(shù) <32>圖6-7定向耦合器工作原理圖6-8光纖耦合器類型（a）88透射型耦合器（b）18反射型耦合器（c）28透反型耦合器6.2光纖用光源和傳輸連接器件3.光開(kāi)關(guān)用于切換光路，主要考慮開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)矩陣規(guī)模、損耗、串?dāng)_、偏振敏感性、可靠性以及可擴(kuò)展性等。4.波分復(fù)用器（WDM）光纖通信特有的傳輸技術(shù)，利用一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波，將光纖低損耗窗口劃分成若干個(gè)波段獨(dú)立用作一個(gè)通道傳輸一種預(yù)定波長(zhǎng)的光信號(hào)。主要有棱鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種，要求插入損耗在1-5dB左右；串音損耗越大越好，應(yīng)大于20dB?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <33>波分復(fù)用技術(shù)原理本章內(nèi)容6.1光纖概述6.2光纖用光源和傳輸連接器件6.3光纖傳感原理6.4光纖光柵傳感器6.5光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)代傳感器技術(shù) <34/108>6.3光纖傳感原理

光纖中傳輸?shù)墓馐鼙粶y(cè)量影響，導(dǎo)致光強(qiáng)度、相位、頻率、等發(fā)生變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)光的這些變化量獲得被測(cè)量，有強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制等不同的工作原理?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <35>光纖傳感器開(kāi)關(guān)薄型?模擬光纖傳感器6.3光纖傳感原理1.光纖傳感器的分類(1)功能型光纖傳感器光纖是連續(xù)的，不僅起傳光作用，還利用光纖在外界因素作用下，其光學(xué)特性變化實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。(2)非功能型（或傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，光纖不連續(xù)。較容易實(shí)現(xiàn)，成本低，但靈敏度也較低。(3)拾光型光纖傳感器光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <36>6.3光纖傳感原理光纖傳感優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣好、防爆性、光路可彎曲、寬頻帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、抗電磁干擾、可工作于惡劣環(huán)境、傳輸距離遠(yuǎn)、便于復(fù)用、成網(wǎng)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <37>光纖傳感器原理6.3光纖傳感原理2光纖中的光波調(diào)制技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。a.強(qiáng)度調(diào)制。最常用的調(diào)制方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但受光源強(qiáng)度的波動(dòng)和連接器損耗變化的影響大。b.相位調(diào)制。光纖中光相位發(fā)生變化現(xiàn)代傳感器技術(shù) <38>強(qiáng)度調(diào)制原理相位檢測(cè)原理6.3光纖傳感原理c.頻率調(diào)制。通過(guò)傳感元件，光纖中光頻率發(fā)生相應(yīng)變化。如利用多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速計(jì)等；利用喇曼散射構(gòu)成的氣體傳感器；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <39>光纖多普勒探頭6.3光纖傳感原理d.波長(zhǎng)調(diào)制。利用被測(cè)量改變光纖中光波長(zhǎng)，檢測(cè)光波長(zhǎng)變化得出各被測(cè)量。光強(qiáng)與溫度的關(guān)系如右下圖，波長(zhǎng)為650nm時(shí)，光強(qiáng)隨溫度變化最靈敏，800nm時(shí)，光強(qiáng)與溫度無(wú)關(guān)，因此用這兩個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)就能確定溫度。優(yōu)缺點(diǎn)：對(duì)光纖或連接器的穩(wěn)定性不敏感，可采用光學(xué)濾波或雙波長(zhǎng)檢測(cè)技術(shù)，簡(jiǎn)化解調(diào)技術(shù)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <40>波長(zhǎng)調(diào)制原理光強(qiáng)與溫度關(guān)系曲線6.3光纖傳感原理e.時(shí)分調(diào)制。外界物理量通過(guò)不同傳感元件，使光纖中光的基帶頻譜延遲時(shí)間及幅度發(fā)生相應(yīng)變化的過(guò)程。不僅能測(cè)量外界物理量隨時(shí)間的變化，同時(shí)也能測(cè)量其的空間分布，是分布式傳感器基礎(chǔ)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <41>時(shí)分調(diào)制原理6.3光纖傳感原理

f.偏振態(tài)調(diào)制。利用光偏振態(tài)變化，如法拉第效應(yīng)做成的電流傳感器；泡爾效應(yīng)做成的電壓傳感器；光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；及光纖雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器?？杀苊夤庠磸?qiáng)度變化的影啊，靈敏度高?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <42>偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)本章內(nèi)容6.1光纖概述6.2光纖用光源和傳輸連接器件6.3光纖傳感原理6.4光纖光柵傳感器6.5光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)代傳感器技術(shù) <43/108>6.4光纖光柵傳感器利用光纖材料的光敏性，在單模光纖的纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。體積小、波長(zhǎng)選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、可與其他光纖器件融成一體，制作工藝成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，可組成多種新型光電子器件，具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <44>橋梁狀態(tài)監(jiān)測(cè)石化安全監(jiān)測(cè)6.4光纖光柵傳感器1.1光纖光柵的分類按其空間周期和折射率系數(shù)分布特性可分為：①均勻周期光纖布喇格光柵。最早也是應(yīng)用最廣的一種光柵，在光纖激光器、光纖傳感器、光纖波分復(fù)用/解復(fù)用等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。②啁啾光柵。柵格間距不等，做色散補(bǔ)償和光纖放大器的增益平坦。③長(zhǎng)周期光柵。柵格周期遠(yuǎn)大于一般的光纖光柵，EDFA的增益平坦和光纖傳感。④閃耀光柵。當(dāng)折射率的空間分布與光纖軸有一個(gè)小角度，形成閃耀光柵。⑤相移光柵。是兩個(gè)光柵的不連續(xù)連接，能夠在周期性光柵光譜阻帶內(nèi)打開(kāi)一個(gè)透射窗口，使得光柵對(duì)某一波長(zhǎng)有更高的選擇度?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <45>6.4光纖光柵傳感器目前光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <46>光纖光柵傳感器光纖光柵通信6.4光纖光柵傳感器

1.2光纖光柵的光學(xué)特性

光纖光柵縱向折射率的變化將引起不同光波模式間的耦合，在一根單模光纖中，纖芯中的入射基模既可以被耦合成后向傳輸模式，也可以被耦合成前向包層模式，決定條件由β1－β2＝2π/Λ表述。

Λ為光柵周期；β1和β2分別為模式1、2的傳播常數(shù)。當(dāng)一個(gè)前向傳輸?shù)幕１获詈铣珊笙騻鬏數(shù)幕r(shí)，滿足下列條件：2π/Λ＝β1－β2＝β01－(－β01)＝2β01

β01為單模光纖中傳輸模式的傳播常數(shù)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <47>6.4光纖光柵傳感器光纖光柵的反射或透射峰的波長(zhǎng)與光柵的折射率調(diào)制周期及纖芯折射率有關(guān)，會(huì)引起光纖光柵的反射或透射峰波長(zhǎng)的變化。由λB=2nΛ，n為芯模有效折射率，Λ為光柵周期。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的物理量發(fā)生變化，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，得出被測(cè)量?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <48>6.4光纖光柵傳感器（1）啁啾光纖光柵傳感器工作原理優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與在外界物理量的作用下除了△λB的變化外，還會(huì)引起光譜的展寬，在應(yīng)變和溫度均存在的場(chǎng)合非常有用。（2）長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器工作原理一般有數(shù)百微米，在特定的波長(zhǎng)上把纖芯的光耦合進(jìn)包層λi=(n0-niclad)·Λn0為纖芯的折射率niclad為i階軸對(duì)稱包層模的有效折射率。通過(guò)檢測(cè)△λi，獲得外界物理量變化的信息，適用于多參數(shù)傳感器?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <49>6.4光纖光柵傳感器

1.4光纖光柵傳感器的特點(diǎn)（1）可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)。用波長(zhǎng)編碼，不受光源功率波動(dòng)以及光纖彎曲等影響，有非常好的可靠性和穩(wěn)定性。（2）傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，適于各種應(yīng)用場(chǎng)合（3）抗電磁干擾、抗腐蝕、能在惡劣的化學(xué)環(huán)境下工作（4）可復(fù)用性強(qiáng)，采用多個(gè)光纖光柵傳感器，可構(gòu)成分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。

1.5光纖光柵傳感器的光源傳感量是對(duì)波長(zhǎng)編碼，光源必須有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性，常用ASE寬帶光源?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <50>6.4光纖光柵傳感器2.1光纖光柵耦合模理論光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，一定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合。對(duì)整個(gè)光纖曝光區(qū)域，下式為折射率分布較為一般的描述：a1光纖纖芯半徑；a2光纖包層半徑；n1纖芯初始折射率；n2包層折射率；(r，，z)光致折射率變化函數(shù)現(xiàn)代傳感器技術(shù) <51>光纖光柵折射率分布6.4光纖光柵傳感器2.2光纖光柵傳感探測(cè)解調(diào)技術(shù)解調(diào)實(shí)質(zhì)是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換和傳遞的檢測(cè)系統(tǒng)，有強(qiáng)度解調(diào)、相位解調(diào)、頻率解調(diào)、偏振解調(diào)和波長(zhǎng)解調(diào)等。如（1）匹配光柵檢測(cè)法：消除了雙折射所引起的隨機(jī)噪聲，對(duì)最終檢測(cè)的反射光強(qiáng)無(wú)絕對(duì)要求。但系統(tǒng)光損耗較大；檢測(cè)靈敏度由PZT的位移靈敏度決定，會(huì)影響輸出結(jié)果；只適于測(cè)量靜態(tài)或低頻變化的物理量?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <52>可調(diào)諧光纖Bragg光柵濾波器檢測(cè)單個(gè)傳感光柵的跟蹤模式透射匹配光柵檢測(cè)傳感光柵的原理6.4光纖光柵傳感器（2）波分復(fù)用(WDM)光纖耦合器解調(diào)法現(xiàn)代傳感器技術(shù) <53>應(yīng)用波分復(fù)用耦合器解調(diào)波長(zhǎng)信息的傳感系統(tǒng)原理圖波分復(fù)用耦合器傳輸曲線6.4光纖光柵傳感器（3）非平衡Mach—Zehnder干涉解調(diào)法FBG探頭部分的擾動(dòng)產(chǎn)生的波長(zhǎng)移動(dòng)類似于一個(gè)經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)(光學(xué)頻率)調(diào)制的光源，非平衡干涉儀表現(xiàn)為一個(gè)傳輸特性為余弦平方函數(shù)的光濾波器該裝置帶寬、高解析度，但局限于測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變，不適于絕對(duì)應(yīng)變的測(cè)量，且測(cè)量范圍非常有限，會(huì)出現(xiàn)絕對(duì)波長(zhǎng)測(cè)量的損耗?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <54>應(yīng)用非平衡Mach—Zehnder干涉解調(diào)的FBG傳感系統(tǒng)6.4光纖光柵傳感器（4）斜光纖光柵(TFBG)解調(diào)法應(yīng)用了斜光柵的能將特定波長(zhǎng)的光從包層導(dǎo)出原理。其折射率變化的分界面和光纖橫截面具有一定的角度，可以有效地將光纖纖芯中特定波長(zhǎng)的導(dǎo)波模耦合到光纖包層成為導(dǎo)波?；蚰嫦?qū)Р?，或者耦合到外界環(huán)境成為輻射?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <55>采用光電探測(cè)器陣列的FBG信號(hào)解調(diào)裝置6.4光纖光柵傳感器（5）基于波長(zhǎng)選擇性探測(cè)器的解調(diào)法波長(zhǎng)選擇性探測(cè)器能同時(shí)鑒別波長(zhǎng)和進(jìn)行光學(xué)探測(cè)，因此，可以將波長(zhǎng)選擇性探測(cè)器用于FBG信號(hào)的解調(diào)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <56>基于波長(zhǎng)選擇性探測(cè)器的解調(diào)法用于溫度測(cè)量6.4光纖光柵傳感器2.3長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）指柵格周期大于100m的光纖光柵。能將光纖中傳播的特定波長(zhǎng)的光波耦合到包層中損耗掉。（1）耦合特性長(zhǎng)周期光纖光柵滿足導(dǎo)波模與包層模、輻射模或其他導(dǎo)波模之間的Bragg相位匹配條件，可表示為

在寬帶光源入射時(shí)，耦合波長(zhǎng)為中心的多個(gè)吸收峰?？傻民詈戏逯行牟ㄩL(zhǎng)公式：現(xiàn)代傳感器技術(shù) <57>長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率調(diào)制原理及其傳輸譜更寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)LPFG的傳輸譜6.4光纖光柵傳感器（2）長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率傳感機(jī)理以耦合諧振峰中心波長(zhǎng)隨外界參數(shù)變化而移動(dòng)為基礎(chǔ)的。外界條件如環(huán)境溫度、應(yīng)力、等的改變可能引起纖芯和包層折射率及纖芯和包層半徑的變化，導(dǎo)致導(dǎo)模和包層模之間耦合的相位匹配波長(zhǎng)及耦合系數(shù)改變，最終表現(xiàn)為光柵吸收峰中心波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化。（3）長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的特性長(zhǎng)周期光纖光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度不僅與纖芯的參數(shù)有關(guān)，還與包層的參數(shù)有關(guān)。a.合適的包層參數(shù)，可制成對(duì)溫度或應(yīng)變不敏感的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，從物理層解決溫度和應(yīng)變的交叉敏感問(wèn)題。b.對(duì)不同的包層模，其有效折射率不同，因而溫度和應(yīng)變靈敏度也不同。故可通過(guò)監(jiān)測(cè)兩個(gè)不同包層模的吸收波長(zhǎng)的移位，在一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器上實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量?，F(xiàn)代傳感器技術(shù) <58>6.4光纖光柵傳感器（4）長(zhǎng)周期光纖光柵傳感應(yīng)用透射型光纖光柵，無(wú)后向反射，在傳感測(cè)量系統(tǒng)中不需隔離器，測(cè)量精度較高。其諧振波長(zhǎng)和峰值對(duì)外界環(huán)境的變化非常敏感，具有更好的溫度、應(yīng)變、彎曲、濃度和折射率靈敏度等，在傳感領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。a.溫度、應(yīng)變、扭曲等單參數(shù)測(cè)量長(zhǎng)周期光纖光柵諧振波長(zhǎng)隨溫度變化線性漂移，高溫段溫度靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低溫段，中間有明顯的過(guò)渡段，適于制作高溫(1000度)下溫度傳感器。b.多參數(shù)測(cè)量利用多個(gè)損耗峰特性，由于不同衍射級(jí)次的包層模具有不同的溫度敏感性，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。解決長(zhǎng)周期光纖光柵測(cè)量過(guò)程中的交叉敏感問(wèn)題尤其重要現(xiàn)代傳感器技術(shù) <59>本章內(nèi)容6.1光纖概述6.2光纖用光源和傳輸連接器件6.3光纖傳感原理6.4光纖光柵傳感器6.5光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)代傳感器技術(shù) <60/108>6.5光纖傳感器的應(yīng)用(1)光纖位移傳感器現(xiàn)代傳感器技術(shù) <61>測(cè)量范圍:100m,標(biāo)準(zhǔn)分辨力0.05m,精度最高0.1m6.5光纖傳感器的應(yīng)用光纖壓力-位移傳感器現(xiàn)代傳感器技術(shù) <62>距離1～2m;d=50m時(shí),位移變化1m,光強(qiáng)變化20%6.5光纖傳感器的應(yīng)用基于光彈效應(yīng)的光纖位移傳感器現(xiàn)代傳感器技術(shù) <63>信號(hào)光源壓縮盤(pán)入射光纖光電探測(cè)器接收光纖起偏器檢偏器光彈材料位移量引起的壓力6.5光纖傳感器的應(yīng)用相位調(diào)制型光纖位移傳感器現(xiàn)代傳感器技術(shù) <64>幾種光纖干涉儀6.5光纖傳感器的應(yīng)用光纖水聽(tīng)器現(xiàn)代傳感器技術(shù) <65>光柵間距10m6.5光纖傳感器的應(yīng)用微彎強(qiáng)度調(diào)制型光纖位移傳感器現(xiàn)代傳感器技術(shù) <66>微彎