第4章-波长调制型光纤传感器资料讲解
光纤传感器
光纤传感器的基本原r) 是光导纤维的简称，光纤的主要成份为二氧化硅，由折射较高 的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约0.1 mm 左右的细玻璃丝， 把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外 部扰动的实践，在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时，会引起光纤内部 传输光波参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术 。 光纤对许多外界参数有一定的敏感效应。研究光纤传感原理就是研究如何应用光纤的 这些效应，研究光在调制区内与外界被测参数的相互作用，实现对外界被测参数的“ 传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心。
示例
珏光琥珀™（ Copal）系列光纤光栅温度传感器是珏光科技自主研发的光纤传感器，产 品利用紫外光通过掩膜光栅照射到裸光纤上，引起裸光纤纤芯折射率的永久性变化， 形成布拉格光栅；在受到温度或应力变化时，光栅的栅距同时发生变化，从而精确地 测量温度或应变。它是珏光科技根据不同使用场合并采用不同封装方法研发的系列产 品。
黑磷光纤传感器
倾斜光纤光栅是一种新型的光纤器件，大角度倾斜光栅结构能够将纤芯光学基模前向 耦合到光纤包层，在特定的波长形成一系列离散的谐振峰，光的耦合将随着外界媒质 折射率等的变化而变化。因此，倾斜光纤光栅是非常适合作为传感应用的光子器件。 黑磷是近年来广受关注的一种具有直接带隙二维半导体材料，具有独特的二维平面结 构、超高的比表面积、众多的活性位点，以及从可见到红外广阔的光谱响应范围，在 光学检测方面展现出巨大的应用前景 将黑磷纳米片高效地附着在光纤器件表面，不同厚度的黑磷纳米层展现出对光信号独 特的调制性。利用这一特性，该黑磷光纤传感器能够在亚ppb浓度水平检测到重金属铅 离子，具有超高的灵敏度、超低的检测限，以及广阔的浓度检测范围 黑磷是一种具有直接带隙 维半导体材料，具有独特的三维平面结构、超高比表面积、 众多的活性位点。而倾斜光纤光栅是一种新的光纤器件，角度倾斜光栅结构能够将纤 芯光学艇模前向耦合剑光纤包层，在特定的波K形成 系列离敞的谐振峰，光的耦合将 随着外界媒质折射率等的变化而变化，因此倾斜光纤光栅非常适合作为传感应用的光 子器件研究人员将黑磷和倾斜光纤光栅相结合，通过‘种原位层叠修饰技术，将黑磷 纳米片高效地附着任光纤器件表面， 同厚艘的黑磷纳米层腱黑磷倾斜光纤光栅器件现 出对光信号独特的调制性，借助于这种调制性和倾斜光栅独特的光学结构，
波长调制型光纤传感器
• 黑体探测不需要光源。 • 黑体及光的收集端处于高温状态，应采 用耐高温材料（陶瓷黑体、蓝宝石光 纤）。
5 半导体激光二极管LD的光电特性是受温 度影响的，实际中需要稳定的光源，则 在设计LD驱动电路时应采用什么方法 以获得稳定的输出功率？ 作业： 1. P73 2.2 试阐释光纤强度调制型传感器 的主要问题及可能的解决途径。 2 在强度调制传感器中，光源强度的稳定 非常重要，请简要说明影响LED光源稳 定的因素及各种稳定光源强度措施的原 理。
∆S =
λ
2 sin ϕ
传感器上的光电检测器产生一个交流信号, 多普勒频率∆f与测量速度v的公式为
v 2 v sin ϕ ∆f = = ∆S λ
v—体辐射探测技术
• 黑体是指能完全吸收入射辐射，并具有最大发 射的物体。 • 所有物体受热时均发出一定的热辐射，辐射量 与物体的温度及其材料的辐射系数有关。理想 透明材料的辐射系数为0。黑体的辐射能量与 温度和波长有关。光纤高温探头在一定的波长 范围内，探测黑体辐射的能量，决定黑体（被 测）的温度。
• 多普勒激光测量仪的光学系统如图：
• 多普勒激光测量仪是采用非接触传感器测量钢 坯速度，向板坯表面发射两束相交的激光,产生 光干涉现象，干涉条纹的移动速度与物体通过 两束激光的交点的速度成正比。通过接收光谱, 记录干涉条纹的移动速度,就可以精确地确定钢 坯的移动速度。
条纹间隔∆S是一个系统常数,它依赖于激光 的波长λ和两条激光束的夹角2ϕ。
第八讲 波长调制型光纤传感器
波长调制传感器原理 对于光纤传感器而言，波长调制属于外调 制，光纤只起传输光信号的作用，而不 是敏感元件。 被测量与敏感元件作用，使光电波长（频 率）发生改变，通过测量光的波长变化 来确定被测量，使用这种方法的传感器 称为波长调制型传感器。
第4章-波长调制型光纤传感器
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
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
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989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>0 IIA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
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
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
光纤传感器的主要原理和应用概述
光纤传感器的主要原理和应用概述摘要：与其他类型的传感器相比，光纤传感器具有一些优势。
这些优势基本上与光纤的特性有关，即体积小、重量轻、耐高温和高压、电磁无源等等。
感应是通过探索光的特性来获得参数的测量，如温度、应变或角速度。
本文提出了一个更广泛的概述，为读者提供了一个文献综述，描述了光学传感的主要原理，并强调了光学传感的多功能性、优势和不同的实际应用。
1、引言光纤技术的发展标志着全球通信技术的一个重要举措。
上世纪70年代，低衰减光纤的出现使高带宽长距通信成为可能[1]。
自此以来，产量持续增长，到21世纪初，光纤已经迅速地安装在世界各地[2]。
光纤技术的发展也使完全在光纤中进行光学处理的设备得以发展，减少了插入损耗，提高了处理质量[3]。
促成光纤技术全面迁移的一个因素是对光敏光纤的鉴定。
这一发现是由Hill等人在1978年做出的[4]，并导致了光学纤维布拉格光栅（FBG）的发展。
在关注和使用光通信的同时，布拉格光栅在光纤传感器中也获得了突出的地位，因为它在不同的传感应用中具有多功能性[5]。
一些市场应用领域，如航空[6]、航天[7]、土木工程[8]和生物[9]或环境监测[10]，已经吸取了这种技术的优点使得行业快速发展。
光纤为许多类型的应用和环境提供高性能信息传输解决方案。
光纤传感器可以利用引导光的一个或几个光学参数，如强度、相位、偏振和波长来改变传感器的设计性能和应用场景。
与此同时，光纤可以提供双重功能：通过改变光纤传播的光的特性来测量几个参数；作为一个通信通道，减少了一个额外的专用通信通道，从而提供了一个与所有其他传感技术所不具备的独特优势。
光纤传感器是电磁学上的无源之物。
这一特性非常重要，因为它允许在其他类型的传感器无法布局的地方使用。
例如，在有爆炸危险的高电场和可变电场环境中。
此外，作为光纤基本传导材料的二氧化硅化合物对大多数化学和生物制剂有抵抗力，因此可以在这种环境和材料中使用。
另一个优点是，光纤传感器可以是小而轻的[11]。
光纤传感器介绍
流量传感器 转动、转速传感器 光开关
光强度调制型光纤传感器——光纤压力传感器
在压力作用下光纤产生微弯变形导致 光强度变化，从而引起光纤传输损耗 的改变，并由吸收、发射或折射率变 化来调制发射光，可制成微弯效应的 光纤压力传感器 。
由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时，光纤产生 微弯变形，光波导方式改变，传输损耗增加。
光纤传感器的分类——相位调制型
相位调制型光纤传感器：
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。
通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感 器（光纤陀螺）等。
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。
光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、 磁场等物理量
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理：光导纤维不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传 播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、 磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感 元件来探测各种物理量。
这种传感器的优点是有极高的灵敏度，主要用 于光纤陀螺、光纤水听器、动态压力和应变测 量、机械振动测量等方面 。
激光器的点光源光束扩散为平行波， 经分光器分为两路，一为基准光路， 另一为测量光路。外界温度（或压 力、振动等）引起光纤长度的变化 和相位的光相位变化，从而产生不 同数量的干涉条纹，对它的模向移 动进行计数，就可测量温度或压力 等。
第四章_波长调制型和频率调制型光纤传感_学
当温度变化不大时，一般都认为是一个常数，因此Bragg波长的变 化与温度之间有较好的线性关系。 但实际上是温度的函数。50K~350K时掺锗石英的与温度T的关系可 以写为：
T 1.13106 6.74108T 1.121010 T 2
对掺锗石英光纤，忽略随温度变化产生的影响，则可以得到掺锗石英光纤 Bragg光栅的温度灵敏度公式为：
• 从黑体腔出口经高温光纤直接耦合进入低温光纤，最后射入光电二极 管，响应范围０.4到1.1微米,n1，n2分别表示高温光纤与低温光纤与 检测器之间功率耦合效率，用Ｓ，Ｌ，α 分别表示高温光纤截面积， 长度，损耗系数，则光电管接收光功率为
P n1n2 S exp L M (T )d n1n2 S exp LM (W )
B 2neff 2neff
因此光纤Bragg光栅的温度灵敏度为
B KT B T
对掺锗石英光纤， 0.5 106，常温下 7.0 106 ，由此估算出常温 下光纤Bragg光栅的温度灵敏度为7.5 10 C ，由于掺杂成分和掺杂浓度的不 同，各种光纤的膨胀系数和热光系数有较大差别，因此温度灵敏度的差别也 很大。
C1
• 在蓝宝石光纤的一端涂覆高发射率的感温介质薄层并经高温烧结形成一 微型的光纤感温腔(热传感头)．当热传感头深入到热源时光纤感温腔与周 围环境迅速达到热平衡，感温腔辐射的光信号经蓝宝石光纤传输，所用 的蓝宝石单晶光纤直径一般为0.6～ 1.0mm，长为10～50cm，因此需要 用一根大芯径石英光纤或光纤束与蓝宝石光纤耦接以传输能量，辐射光 信号经透镜分束通过两选定的干涉滤光片(中心波长分别为820nm和 940nm，带宽为30nm)后由硅光电池探测接收。
1．纵向应变(力)灵敏度
光纤传感器介绍重点
光纤传感器介绍摘要本文介绍了几类常用光纤传感器，具体分析了波长调制型光纤传感器的原理、结构和应用，结合实验对光纤传感器位移实验作了分析。
关键词光纤传感器功能型非功能型波长振幅相位0引言光纤传感器，英文名称：optical fiber transducer。
航空科技领域定义其为利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长改变的传感器；机械工程定义其为利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。
近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。
在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。
光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区）或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
1光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点如下：（1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。
这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。
（2）灵敏度高。
利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。
其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量转动、水声、加速度、位移、温度、磁场等物理量的光纤传感器。
（3）重量轻，体积小，外形可变。
光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。
这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。
（4）测量对象广泛。
目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。
五类光纤传感器基本原理和优点简介
五类光纤传感器基本原理和优点简介来源：与非网根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。
1）强度调制型光纤传感器基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。
恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。
这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。
强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。
一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。
2）相位调制型光纤传感器基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。
相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。
目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
3）频率调制型光纤传感器基本原理是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度，即光频率与光接收器和光源间运动状态有关。
第四章-强度调制型光纤传感器11
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射面
LD
Emitting Fiber x
发射光纤像
yo
z
a
2r
PIN
Receiving Fiber
位移方向
d
确定传感器的响应（发射光纤-平面镜-接收光纤的光 路耦合）等效于计算虚光纤与接收光纤之间的耦合
假设发射光纤与接收光纤的间距为d，且都具有阶跃型折射 率分布，芯径为2r，光纤数值孔径为NA，且T tan(sin1 NA)
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
4.2 反射式强度调制
✓ TF 与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1， 包层之间无间隙；
✓ TF反射端面与RF1、RF2的接收端面间错位量分 别为b1和b2。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
4.2 反射式强度调制
✓ 可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，但对 特性曲线的线性范围、灵敏度改善不明显。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯不等间距式
4.2 反射式强度调制
✓ 光强调制特性本质上没有区别。 ✓ Ⅰ式由于光纤之间紧密排列，因而光轴间距容
易准确确定，仅由光纤芯径和包层决定；Ⅱ式 由于光纤包层之间存在间隙，因此光纤的间距 不容易准确给定，容易引入测量误差；
实际应用中采用Ⅰ式结构
第四章 强度调制型光纤传感器
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
发射光纤 接收光纤
反射式光纤传感器的基本结构
第4章 光纤光栅传感器ppt课件
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(2)非功能型传感器 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。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
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3
①电绝缘性能好。
②抗电磁干扰能力强。
③非侵入性。
④高灵敏度。
⑤容易实现对被测信号的远距离监 控。
光纤传感器可测量位移、速度、加
速度、液位、应变、压力、流量、振
动、温度、电流、电压、磁场等物理
量
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光纤的结构
涂覆层 包层 纤芯
护套
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光纤的传光原理
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（c）频率调制光纤传感器
被测对象引起的光频率的变化来进行监测 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速
度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓
度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。
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（d）相位调制传感器
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光纤导光
n0sini n1sinj n1sinkn2sinr
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sini (n1/n0)sinj j 90k
sini (n1/n0)sin9(0k)nn10 cosk
n1 n0
1sin2k
sin in n 1 0 1(n n 1 2sin r)2n 1 0 n 1 2n2 2si2nr
波长调制型光纤传感器
波长调制型光纤传感器一、概述波长调制型光纤传感器（Wavelength Modulated Fiber Optic Sensor，WMFOS）是一种利用光纤的色散特性进行测量的传感器。
它是一种非常灵敏的传感器，可以用于测量温度、压力、应变等物理量。
二、工作原理WMFOS利用光纤的色散特性进行测量，其工作原理如下：当光从一个波长转换到另一个波长时，会产生一个相移。
这个相移可以通过测量两个不同波长之间的干涉信号来确定。
三、结构组成WMFOS由以下组件组成：1. 光源：通常使用激光二极管或LED。
2. 光纤：通常使用单模光纤。
3. 光谱分析仪：用于分析干涉信号。
4. 传感器头：用于将物理量转换为光学信号。
四、应用领域WMFOS广泛应用于以下领域：1. 温度测量：利用热膨胀引起的长度变化来测量温度。
2. 压力测量：利用压力引起的折射率变化来测量压力。
3. 应变测量：利用应变引起的长度变化来测量应变。
4. 气体浓度测量：利用气体与光纤的相互作用来测量气体浓度。
五、优缺点WMFOS具有以下优点：1. 非常灵敏：可以检测到非常小的物理量变化。
2. 高分辨率：可以实现微米级别的分辨率。
3. 光学信号传输距离远：可以传输数百米甚至数千米。
4. 抗干扰能力强：不受电磁干扰等外界因素影响。
WMFOS具有以下缺点：1. 成本高：由于需要使用光谱分析仪等昂贵设备，成本较高。
2. 安装和调试难度大：需要专业技术人员进行安装和调试。
六、发展趋势WMFOS作为一种新型传感器，其发展趋势如下：1. 微型化：将WMFOS制成微型化设备，可以更方便地应用于各种场合中。
2. 多功能化：将WMFOS应用于多个领域，实现多种物理量的测量。
3. 智能化：结合人工智能等技术，实现自动监测和数据处理，提高测量精度和效率。
七、结论WMFOS是一种非常灵敏、高分辨率的传感器，广泛应用于温度、压力、应变等物理量的测量。
虽然其成本较高，但随着技术的发展，其微型化、多功能化和智能化等方向将成为其未来的发展趋势。
调制型光纤传感器的工作原理
调制型光纤传感器的工作原理调制型光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
光纤传输是调制型光纤传感器的基础。
光纤是一种具有非常低损耗的传输介质，其内部由一个或多个纤维芯和包围在外的包层组成。
通过光纤，光信号可以在纤芯中以全内反射的方式进行传输。
光纤的纤径一般非常小，通常为几个微米至几十个微米，因此可以方便地安装在不同的环境中。
光调制是调制型光纤传感器的关键步骤。
光调制是指通过改变光信号的某些特性来实现对外界物理量的测量。
常用的光调制方式有幅度调制、相位调制和频率调制等。
其中，幅度调制是最常用的方式，它通过改变光信号的强度来传递传感器所测量的物理量信息。
相位调制则是通过改变光信号的相位来传递信息，频率调制则是通过改变光信号的频率来传递信息。
这些调制方式可以根据具体的应用需求来选择。
光检测是调制型光纤传感器的最后一步。
光检测是指通过光电探测器将调制后的光信号转换为电信号，以便进一步处理和分析。
常用的光电探测器有光电二极管（PD）和光电倍增管（PMT）等。
光电探测器可以将光信号的强度、相位或频率等信息转换为电流或电压信号，进而实现对外界物理量的测量。
调制型光纤传感器的工作原理可以通过一个简单的温度测量实例来说明。
假设我们需要测量一个物体的温度，可以将一个光纤传感器安装在物体表面附近。
当物体的温度发生变化时，光纤传感器会受到温度的影响而发生形变，从而改变光纤中的传输特性。
例如，温度升高会导致光纤的折射率发生改变，进而改变光信号的传输速度。
通过对这种速度变化进行测量和分析，就可以得到物体的温度信息。
调制型光纤传感器通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
通过合理选择光调制方式和光电探测器，可以实现对各种物理量的测量，例如温度、压力、形变等。
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• 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
Min’s Fiber Optic Sensors
光纤光栅的保护和封装
保护层对光纤光栅传感性能影响
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
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* 光纤光栅的主要类型
光纤Bragg光栅(FBG)
λB
nc ncl
B 2ncoreeff
5.5.* 光纤光栅的主要类型 cont’d
长周期光栅 LPG
Min’s Fiber Optic Sensors
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
应 力
4.5
ν＝0.483
灵
敏 4
结论：
E＝0.39×109
应 力
6 E＝3.9×109
灵5
敏
度 系
3.5 3
•
欲提高光纤光E＝栅10的×10应9 变度系灵4敏度系数，必须选ν＝用0.98
ν＝0.7 v＝0.483
N/m 2)) 1.05
E＝120×109
N/m1.02 2))
ν＝0.17
02
4
6
8 10 ×103
0
2
4
6
8 10 ×103
涂层厚度（μm）
涂层厚度（μm）
结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的 材料
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
• 所有应力均为静应力，不考虑随时间变化
5.5 波长调制机理
布喇格波长 B 2neff
应变测量
温度测量
B K
BKTT
• 灵敏度：1 1pm • 测量范围：1％ • 频率响应：可达1MHz
• 灵敏度：1C 10pm • 测量范围：200 C
Min’s Fiber Optic Sensors
FBG应变传感模型
B 2 n e fe f ff B 2 n e ff 2 n e ff
对于各向同性圆柱体－
弹性变形 弹光效应
r,, z
几点假设：
横向应力作用 纵向应力作用
• 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；
• 传感 • 光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线
Min’s Fiber Optic Sensors
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
Min’s Fiber Optic Sensors
相位光栅
• FBG某些点处的周期性 被破坏附加相移解 复用器
SIDE-MODE
MAIN-MODE
l
CORE CLADDING
B2nef f 1(rl)2
r，为光栅写入时， 距相位模版远端的
距离
l1
l1
CORE CLADDING
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* FBG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
0
1.22pm 相 对/-0.0002
波光导栅效波应 长相引对起灵 度 数 敏 系漂的-0.移光0004纤
BZ B
n2e2ff
P11P12P121zz
NAk=0.1z1z
NA=0.11
NA=0.13
NA=0.15
-B B 0z .00 0w 6 0 gn eaf f n a 1e 4 f f n ke w 5 fa g f NrAr 2=0. 17n ke w ffa g 3 v zz 光纤芯径（μm）
第4章-波长调制型光纤传感器
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
• 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
数 2.5 (101 1/(N 2 /m2)1.5
•
低 选用弹高性E＝弹模72×性量109模、E＝量高10、泊0×1松低09 比泊数(1/的松m1/(0N21)23涂比敷的材金料属进材行料ν＝保进v0＝ν.1＝0护行7.408.73。涂0
) 1 0 敷2，才4 能达6 到8提高10 ×光103栅)稳定1 0 性的2 目4的 6 8 10 ×103
光纤的光敏性
历史
• 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm • 1989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>0 • IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率
涂层厚度（μm）
涂层厚度（μm）
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
应
力 灵
1.08
敏
E＝86.5×109
应 力 1.08 灵 敏
ν＝0.98
度 系
1.07
数
(10- 1.06 11/(
E＝90×109 E＝110×109
度 1.06 系 数 (10- 1.04 11/(
• 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
CORE
CLADDING
L(nco renclad)d ienfgf
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* 光纤光栅的主要类型 cont’d
Hale Waihona Puke 啁啾光栅 （chirped）
• 结构：周期沿光纤轴向短 长 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
CORE CLADDING
B(z)2nef(fz) (z)
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* 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