光波长调制传感器
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。
FBG温度传感器(简单设计)
FBG温度传感器——波长调制
1、基本原理
短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅（FBG）是一种典型的波长调制型光纤传感器这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。
其结构如图所示
基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感
信号，其数学表达式为错误！未找到引用源。
=2n eff A
错误！未找到引用源。
为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。
引起光栅布拉格波长飘移的外界因素如温度、应力等会引起光栅周期A 和纤芯有效折射率的改变。
其中光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程
其中Δλ是反射波长的变化而λo 为初始的反射波长。
2、传感器结构设计
FBG温度传感器的基本构造如下图所示
光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。
光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，光纤光栅反射波长的移动与温度的变化成线性关系，通过解调器测量光纤光栅反射波长的移动,便可确定环境温度T。
由于光纤布拉格光栅周期和纤芯的有效折射率会同时受到应变和温度变化的影响。
当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。
即需要对光纤光栅传感部分进行封装，保证传感部分不受到外界应力的影响。
光纤传感器的基本原理
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
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 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
• 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中
多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
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，
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
光纤传感器简介光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。
光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。
其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
光纤传感器的分类光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。
（1）功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑，灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高。
典型应用：光纤陀螺、光纤水听器等。
（2）非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。
优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
缺点：灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传。
光纤传感器基本原理3
= ne。
对于KDP类晶体，晶体折射率的变化∆n与电场E的关 系由下式给定
3 ∆n = n0 γ 63 • E
两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为
3 3 ∆L = ∆n • l = n0 γ 63 • E • l = n0 γ 63U
当折射率变化所引起的相位变化为Π时，则称此电压为 半波电压Uλ/2，并有
3 U λ 2 = λ0 / 2n0 γ 63
1-BGO调制器晶体；2-1/4 波长片；3-检偏器； 4-电压传感器测头；5-多模光导纤维；6-光检测器； 7-运算器；8-输出信号；9-光源；10-光耦合器； 11-起偏器
ϕ π
输出的光程为
I = I 0 sin 2 ( + ) 2 4
式中,φ是晶体中两正交平面偏振光的相位差：
π U 2 I = I 0 sin 2 [ ( ) ] 2 U
λ 2
3.法拉第效应 法拉第效应 法拉第效应(磁致旋光效应):物质在磁场的作用下可以使 穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转的现象。 光矢量旋转的角度： = V ∫ 0l Hdl ϕ
式中，V是物质的费尔德常数， l l是物质中的光程，H是磁场强度。 H
∆ = (no − ne )l = kpl 2π ϕ= ∆ = 2πkpl / λ0 λ0
七对光纤和光电器件的要求
光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特 性的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。光纤传感器的灵敏度 主要决定于系统中的内部噪声电平，因此在光纤传感器里分离出 噪声源，并设法降低它，对提高灵敏度是有实际好处的。 光纤多普勒系统光纤系统的主要噪声源是背向瑞利散射噪 声和偏振噪声。瑞利散射从根本上讲是不能消除的。瑞利散射 的大小与传输的模、纤芯尺寸无关，而与波长的四次方成反比， 因此，选用长工作波长是有利的。偏振噪声的出现，是由于不 同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。保持单模光 纤偏振状态的稳定十分重要，这样做的结果，可使灵敏度提高 几个数量级。 光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、 输出的偏振相干性要好、寿命长。在目前研制的各类传感器中， 用He-Ne气体激光器做光源的比较多。但从发展看，体积小、性 能可靠的半导体激光器应具有宽广的应用前景。
lctr6-2 波长调制型 (2)资料
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
Min’s Fiber Optic Sensiber Optic Sensors Lecture 6-2
4.1 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
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
Min’s Fiber Optic Sensors
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 入射光纤
• 光源和频谱分析器的性能系统调的制稳器定性和分被辨测参率量
光源：白炽灯、汞出弧射灯光纤 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性分: 比光值计运算，补偿系统误差
主要应用-医学、化学等领域。
• 人体血气信的号分处理析、pH输值出检测 • 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
Min’s Fiber Optic Sensors
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
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。
光纤传感器的调制原理
传感器之家
光纤传感器的调制原理
随着光纤和光通信技术的发展，光纤传感器也应运而生。
光纤传感器是以光纤为基础，感测外界物理量变化的一种传感技术。
由于光在传播过程中，由于温度、压力、电磁场等的影响下，其振幅、相位、波长等会发生变化，从而构成强度、波长等的调制，基于这一原理，制造出各种不同的光纤传感器。
下面简要说下这几种调制原理。
一、强度调制。
它是利用测试信号的变化来改变光纤中光的强度，然后通过解调来实现对被测量的测量。
影响光强变化的因素有：光纤的微弯状态、光纤的吸收特性和折射率等。
二、相位调制。
外界信号的变化，使光纤中的光波发生相位改变的调制，常见的相位调制有：功能型调制、萨格奈克调制和非功能型调制。
三、频率调制。
通过检测光波频率或波长的变化，来测量外界信号变化的调制技术，这种调制称为波长调制或频率调制。
频率调制多采用多普勒效应，多用于测量流体的速度。
四、偏振调制。
这里涉及光波的两个物理量：电场矢量和磁场矢量。
它们都是与光波的传播方向相垂直的。
根据这两个物理量的变化，光可以分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光和完全偏振光。
根据这些类型，可以制成各种不同的偏振调制传感器，利用的效应有磁光效应、电光效应和光弹效应。
传感器之家。
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
第3章-相位调制型光纤传感器
MZ干涉仪的应用例－线性调频外差型干涉仪
固定光程差（～10cm－由光 源线L 宽L决定L） n L D
检测：锁相、比较和计数
L n
D
隔离器 耦合器
耦合器
解决：
条纹高细DBF分困难，导致精度不高折射率变化区 测量灵驱敏动度和精度随光程差改变；
易受外界环境影响等
用声光调制器的外差式干涉结构复杂、体积大、调制频率范围 小的矛盾
等无关
问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检 测
应用
* 相位信号解调技术
相位调制型
干涉仪的信号解调 光纤锁相环方案 PGC（phase generator carrier)方案
干涉仪的解调方案
主动零差法 被动零差法 普通外差法 合成外差法 伪外差法
零差法 外差法
相位调制型
❖ 补充条件
❖ 利用原子发出的同一波列 ❖ 光程差要小于波列长度
相位调制型
光纤中的相位调制
应力/应变调制 温度调制 可以转化的调制
相位调制型
5.3.1 相位调制机理
相位调制型
应力应变效应
通过长L的光纤，出射光 波的相位延迟：
光波在外界因素影响下 的相位变化：
L 2 L
L L L L L n L a
干涉测量原理
相位调制型
双光束干涉：
多光束干涉
A2 A12 A22 2A1A2cos()
I I0
1
(1
4R R)2
sin2
2
结论
R：反射率；φ：相邻光束的相位差
discriminability(sensitivity) R
5.3.2 光纤干涉仪1-2
相位调制型
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]。
各种波长传感器的作用
各种波长传感器的作用
各种波长传感器的作用如下：
1. 可见光传感器：工作波长范围通常在400纳米到700纳米之间，主要用于对可见光的观测和测量。
2. 近红外传感器：工作波长范围通常在700纳米到1000纳米之间，主要用于对近红外光的观测和测量。
3. 红外传感器：工作波长范围通常在1微米到14微米之间，可以分为短波红外、中波红外和长波红外传感器。
这些传感器通常用于检测物体的温度和热辐射，常用于安全检查、环境监测、医疗诊断等领域。
4. 微波传感器：工作波长范围通常在1毫米到1米之间，可以用于测量物体的物理量，如距离、速度、角度等，也常用于通信和雷达系统中。
5. 光纤光栅传感器：光纤光栅是一种在光纤中写入光栅的结构，可以在温度和应力的影响下改变其共振波长。
这种传感器可以用于检测温度和应力，具有测量精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点。
在水声传感方面也有应用，如高灵敏度的水下监听设备。
综上所述，各种波长传感器因其特性不同而有不同的应用场景，它们为现代科技和工程领域的发展提供了重要的支持。
16.03 三、光纤传感器的调制形式
强度调制型
波长(颜色)调制型
（a）波长调制原理（b）热变色溶液光强与温度关系曲线
热色物质波长调制原理图
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺） 频率调制型
基于多普勒效应的频率调制原理
（可以用来测量血液流速）
相位调制型
（a）迈克尔逊干涉仪（b）马赫-泽德干涉仪
（c）赛格纳克干涉仪（d）法布里-珀罗干涉仪
偏振态调制型
功能型光纤传感器
法拉第磁光效应：平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转。
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法拉第磁光效应实验装置
磁场
偏振光片
磁光材料
L
θ
检偏片
光源
光弹效应：在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象，其强弱正比于应力。
偏振光的相位变化：
2λπϕ/kpl =式中k ——物质光弹性系数；
P ——施加在物体上的压强；l ——光波通过的材料长度。
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应变材料F
检偏器
光源
F
起偏器补偿器
光弹效应实验装置
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺） 传光型光纤传感器
光转换元件检测量
液晶温度、压力、振动
半导体膜温度等
波克尔斯元件电场、电压
法拉第元件磁场、电流
光弹性元件压力、温度、应变、音响
荧光物质放射线等
遮光光路位移、振动、旋转等
电子电路电磁场、其它。
第11讲+光栅调制型光纤传感器
n neff B 2 L eff a Lneff 2 L a L
弹光效应 波导效应
波导效应对纵向应变灵 相 -0.0002 敏度影响较小，作用与 对 弹光效应相反。 常采用低NA，小a光纤
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
– 涂敷粗糙、不均匀造成的chirp－非线性随机chirp光栅反射谱 将发生随机展宽对基于波长检测的FBG传感器是一种附加噪声
•
解决方法 – 涂敷材料选择 – 严格控制二次涂敷工艺 会对应力应变传感造成严重影响
边模
•
1993年 K.C.Byron等人用紫外干涉仪在锥形光纤中产生了非均匀周期分布的干涉 条纹，获得了折射率近似线性变化的光纤折射率分布，即线性啁啾光纤光栅。
主模
纤芯 包层
l
r为光栅写入时，距相位模版远端的距离
B 2neff 1 ( r l )2
应用：
• • 利用闪耀光纤光栅的包层模耦合形成的带宽损耗特性，可将其应用于掺铒光 纤放大器的增益平坦。 当光栅法线与光纤轴向倾角较小时，还可将闪耀光栅用作空间模式耦合器。
特征：传输方向相反的两个芯模之间发生耦合，属于反射型带通滤波器 nc ncl
光强
FBG应变传感
外界应力改变FBG波长移位。引起波长移位的原因主要包括三个方面： 光纤弹性形变、光纤的弹光效应以及光纤内部应力引起的波导效应。
B 2neff eff B 2neff 2neff
不同光纤光栅反射/透射谱
•
变迹光纤光栅
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。
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。
新型光纤传感器的灵敏度提升研究
新型光纤传感器的灵敏度提升研究一、引言光纤传感器作为一种先进的检测技术，在众多领域如工业生产、医疗诊断、环境监测等都有着广泛的应用。
然而，随着应用场景的不断拓展和需求的日益提高，对光纤传感器灵敏度的要求也越来越高。
灵敏度是衡量光纤传感器性能的关键指标之一，直接影响着检测结果的准确性和可靠性。
因此，如何提升新型光纤传感器的灵敏度成为了当前研究的热点和重点。
二、光纤传感器的工作原理光纤传感器的基本原理是利用光纤作为传输介质，将被测量的物理量转化为光信号的变化，然后通过检测光信号的变化来获取被测量的信息。
常见的光纤传感器类型包括强度调制型、相位调制型、波长调制型和偏振调制型等。
以强度调制型光纤传感器为例，其工作原理是通过改变光纤中传输光的强度来反映被测量的变化。
例如，在测量位移时，当被测物体移动导致光纤弯曲或拉伸，从而改变了光在光纤中的传输损耗，进而引起输出光强度的变化。
相位调制型光纤传感器则是通过检测光的相位变化来测量被测量。
当外界物理量作用于光纤，导致光纤的长度、折射率等发生变化，从而引起光在光纤中传播时相位的改变。
波长调制型光纤传感器依靠检测光波长的变化来实现测量。
例如，在温度测量中，由于温度的变化会导致光纤中某些材料的光学特性改变，从而使输出光的波长发生漂移。
偏振调制型光纤传感器则是根据外界物理量对光偏振态的影响来进行测量。
三、影响光纤传感器灵敏度的因素（一）光纤材料和结构光纤的材料特性和结构设计对传感器的灵敏度有着重要影响。
例如，高折射率差的光纤能够增强光与物质的相互作用，从而提高灵敏度。
同时，特殊结构的光纤，如微结构光纤、光子晶体光纤等，具有独特的光学特性，能够为提升灵敏度提供更多的可能性。
（二）光源特性光源的稳定性、功率、波长等特性也会影响光纤传感器的灵敏度。
稳定的光源能够提供更准确的测量结果，而高功率的光源可以增加光与被测物的相互作用强度，从而提高灵敏度。
此外，选择合适波长的光源，使其与被测物的光学特性相匹配，也能够提升传感器的性能。
光纤传感器简介
2.3.2 BOTDA BOTDA 是基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析（ Brillouin Optic Time-Domain Analysis ，简称 BOTDA） 。其基本原理是：当光纤某个区段的温度或应变发生变化时，该部位的布里渊频移便随之发生变 化，从而引起该区段的 BOTDA 信号变化。通过调谐使入射泵浦光和探测光之间的光频差等于新的布里渊 频移，便能接收到该点的布里渊散射信号。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此，对两激光 器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一段耦合出来的探测光的功率，就可以确定光纤各小段区 域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到光纤沿任一点的温度、应变分布。基于 BOTDA 的分 布式光纤传感器典型结构如图 4 所示。
温度补偿光栅（悬空）
横向测量光栅
图5
FBG 温度补偿光栅串联示意图
3.2 光纤的封装保护
为了防止周围物质对光纤造成污染，为了消除振动、机械碰撞等因素对光纤造成的损伤，也为了提高 光纤传感系统的光学和电学性能，并改善监测系统的长期稳定性，光纤要经过特殊的封装保护后才能满足 实际需要。以下是几种常用的光纤封装方式： （1）粘贴封装。该封装方法是将光纤直接粘贴于拱架钢筋、混凝土和锚固杆件表面上，再用环氧树脂、 水泥砂浆进行涂抹或浇注保护，是一种最为简便的封装方法，施工难度小，适合支护钢架、预制式衬体及 作业机械等规则结构体的变形监测。 （2）管片式封装。该方法是将光纤附着到特制的管、片或丝等传感媒介器件上（内） ，再密闭封装成 独立传感器件，是现在最为常用和成熟的光纤传感器封装方法。 （3）植入复合材料封装。目前基于碳纤维加筋（CFRP）或玻璃纤维加筋（GFRP）的树脂基复合材料 杆件被大量应用到了岩土工程中，因此可在其加工时直接将光纤植入内部形成智能杆件，替代传统钢材将 支护与监测并行。该方法封装的传感器将光纤与监测对象完全耦合，不会因施工破坏及地下水腐蚀失效。
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。
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1109020225 周传兴
传感器结构原理
图1-1 基于细芯光纤的全光纤M-Z干涉仪结构示意图
光在SSMF内传播时只存在基模一个模式，光的能量基本被约束在芯层内。
由于光纤的芯层直径是决定光传输模式状态的一个重要参数，不同芯径的光纤对光的约束能力不同，因此当光传播到SSMF和TCF交界面的时候，光传输的截止条件发生改变，一部分光被激发为高阶模式的光，和芯层模式光一起，在TCF内传播。
到达另一个SSMF和TCF交界面的时候，一部分被激发光重新耦合回芯层，并与芯层的基模光发生干涉，由于不同模式光的有效折射率不同，因此干涉的两束光具有不同的光程差，因此干涉强度随着波长有强弱变化的关系。
通过探测干涉条纹某个干涉峰的波长信息，就能找到其变化与环境参量变化之间的关系。
奇数阶模式既存在芯层的分量又存在包层的分量。
在SSMF中，能量几乎都集中在包层内，而在TCF中，包层的分量被压缩到很小的程度，能量几乎都集中到芯层。
这决定了在第二段SSMF芯层内发生干涉时，高阶模分量的能量被大大提升，发生干涉的两束光的能量差被拉近，因此，得到的干涉条纹将有比较好的对比度，很可能得到很深的干涉极小点。
TCF中高阶模式这种能量分布情况，会减少基模和高阶模式的有效射射率差，因此得到干涉条纹的自由光谱范围就会比较大，因此得到清晰，单一的干涉图样，能够作为一种简单的带阻滤波器。
另外，在该传感器的应用中，也会有较大的工作范围。
在图1-1所示的第二段SSMF处获得的干涉条纹，其干涉峰的位置可以由式1-1得出：
（1-1）
式中，是光纤芯层的有效折射率，和光的波长有关；是第j阶包层模式的有效折射率，它不仅和入射光波长有关，而且其受到外界折射率影响；L是插入的TCF的长度；
干涉峰的中心波长。
式子表示了当芯层光和包层光传播了距离L以后，引入的光程差为干涉峰中心波长一半的奇数倍。
对式1-1做微分计算，就可以得到中心波长对于外界环境折射率和温度变化的响应：
式中，是光纤芯层的有效折射率；是包层模式的有效折射率；为芯
层和包层的有效折射率的差。
我们用松香把光纤封装在带细槽的铝制模块内，如上囤所示．这种结构既能起到保护作用，又能灌入溶液，或者是浸入不同折射率的溶液中，以方便折射宰传感实验的进行。
蔗糖溶液的浓度和折射率成线性关系。
因此，我们根据蔗糖溶液浓度和折射率的转换关系(如表1-1所示)，配制了12份样本溶液，用于传感器折射率响应的测试。
表1-1 蔗糖溶液旅度及折射率换算表
结语
这种干涉仪通过不同芯径光纤的交界面实现高阶模式的激发，然后再用同样的结构使具有不同相位的模式之间发生干涉。
其干涉条纹具有相当高的对比度，体现了很大的作为高性能带通滤波器应用的潜力。
同时，参与干涉的高阶模式光的有效折射率受到外界介质折射率的影响，因此这种结构也有作为高灵敏度折射率传感器应用的潜力。