光纤光栅传感器基本知识
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QPS
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QPS
2009/6/17 38
谢谢!
QPS
QPS
基本构成
QPS
单个测量系统构成
QPS
多个测量系统构成
QPS
八、光纤光栅传感器的优点
低耗传输（损耗约0.2dB/km ） • 抗电磁干扰（光传输，频率远高于电磁波）数字编码 • 化学稳定，电绝缘性能好，抗腐蚀，特别适合于恶劣 和高危环境中应用光纤所用的材料为石英玻璃、氟化物 或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（即有机玻璃） • 质轻、径细、柔韧、成本低 （可埋入被测对象内，对环境影响小，安装简单） • 绝对测量，可自校准，重复性好 • 可分布式测量或逐点定位测量，无电测量 • 强大的数据管理功能，实时记录测量数据和操作日志， 并方便查询 • 兼容性好：可与其他系统实现互联互通；
kT
为温度响应
交叉敏感问题：利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度
界温度变化和应力变化量。
的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过解二元线性方程组来获得外 如使其中一条光纤光栅不受应力影响，上述方程组可得到简化，成了温度补 偿。反之，亦可构成应力补偿。
QPS
利用响应灵敏度不同的两条光纤光栅，测量同一 环境中的温度和应力，解线性方程组得到被测温 度和应力
B1 KT 1T K 1 B1
B 2 KT 2 T K 2 B 2
QPS
六、光纤光栅的输入输出wk.baidu.com
QPS
七、光纤光栅传感系统的基本构成
• 基本构成：宽带光源、分路器、光纤光栅、解调器 • 其余：除此之外光纤光栅传感系统还包括如下几个方面：
（1）光纤光栅网络系统： 该系统的功能是通过光缆将多个探头串接起来，并构成传感器矩阵， 形成传感器网络。
1978年由K.O.Hill用内写入法发现了光纤的光敏性。
• 外部写入法
---分波面干涉法、逐点写入法、振幅掩模法、接触式相位掩模法、
非接触式相位掩模法。相位掩模法使规模化生产成为可能。
QPS
相位掩模法
该技术不仅提高了光栅的写入效率，而且通过改变两束相干光的夹角， 还可以改变光栅的周期，从而达到控制光纤光栅布喇格波长的目的。
如载氢技术、光纤还原法、多种掺杂等 •光纤生命周期和热稳定性
般考虑热退化（即擦除温度）和机械强度。
QPS
四、光纤光栅的写入
• 写入方法
----可分为内部写入与外部写入（侧写）。
• 内部写入法
---射入光纤的激光经另一端反射镜反射后与入射光相干涉形成驻波，
在光纤内]形成了与驻波周期相一致的体积折射率光栅…Bragg光栅。
光纤光栅传感器基本知识
一、简述 二、光学基本知识 三、光纤的光敏性 四、光纤光栅的写入 五、光纤光栅测量原理 六、光纤光栅的输入输出 七、实际传感系统的基本构成 八、光纤光栅传感器的优点
QPS QPS
一、光纤光栅传感器简述
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内 形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成 一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，其 光学性质又受控于外界环境物理量，从而构成了 光纤光栅传感器。 光纤本身具有低耗传输、抗电磁干扰、质 轻、径细、柔韧、化学稳定、电绝缘等优点，光 纤光栅传感器成了无与伦比的新一代传感器，具 有广泛的应用前景。
（2）光纤通讯传输网络：
不同位置的监测点可以使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息 处理及分析系统上。
（3）信息处理及分析系统： 该系统由光纤光栅传感探测信号处理器以及计算机软件构成，信号处理 器系统功能包括系统的信息收集、处理和传送，计算机软件系统包括信 息处理、分析、传送、储存管理、预警、报警功能。
• Bragg
条件： B 2neff
neff
式中： B ---Bragg 波长;
---光栅的---光栅周期,即折射率调制的空间周期有效折射率， 即折射率调制幅度大小的平均效应; •传感原理：Bragg光栅的反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定， 而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数等参数的函数。任何使这些参量发 生改变的物理过程（如：温度、应力等）都将引起光栅Bragg波长的漂移。建立 并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，即可由光纤布拉格中心波长的 变化获得被测量。
QPS
•
布拉格定律
当入射波从晶体中的平行原子平面作镜面反射，若平行晶面 间距为d，则相邻平行晶面反射的射线行程差是2ndsin ，当 行程差是波长的整数倍时，来自相继平面的辐射就发生了相 长干涉。 这就是布拉格定律。
2nd sin k
入射光
反射光会聚点
d
两镜面反射光光程差的计算
QPS
三、光纤的光敏性
紫外激光光束 金属掩模
相位掩模 干涉
光纤纤芯
光纤中写入光栅的相位掩模几何原理
QPS
相位掩膜技术
QPS
2009/6/17 9
五、光纤光栅测量原理
•相长干涉：当光入射到纤芯中，在折射率周期性变化的介质表面发生反射和透射。
当在不同界面上反射的光的光程差是某个波长的整数倍时，将发生相长干涉， 由此可得布拉格条件。反射峰非常窄。
QPS
布拉格反射
反 射 功 率
波长
QPS
传感模型：光纤光栅的传感模型有 ：应变传感模型 、温度传感模型 、动态
磁场传感模型。通常，可以只考虑温度和应力的影响。
基本公式：
B
B
k
T
T
k
其中： B 为布拉格波长， T 为温度变化量， 为应力变化量； 灵敏度系数， k 为应变响应灵敏度系数。
QPS
2009/6/17 2
sin 2 n1 sin 1 n2
二、光学基本知识
• 光的反射--反射定律 • 光的折射--折射定律 • 光的全反射--光疏、光密介质、临界角
光线从光密介质射向光疏介质；入射角大于临界角
• 光的衍射-- 光的波动性，非直线传播 • 光的干涉 -- 干涉现象、莫尔条纹、相干光源
•光纤的光敏性
外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化
•光敏机理
光敏效应在微观上可能与众多物理因素有关，是一个非常复杂的物理过程， 目前还不能给出完全定量化的描述缺陷又被称为色心，是光敏性的原因。 常用的解释模型有色心模型、密致模型。是光的粒子性的一种表现
•增敏技术
常用的增敏技术有：增加缺陷浓度；掺入具有较大紫外吸收系数的杂质； 增加纤芯与包层之间的热特性失配度等等
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nd sin k
• 光纤 光纤中引导光传播的基本原理是全反射
折射率阶跃光纤 （包层与纤芯为折射率不同的两种均匀材料） 折射率梯度光纤（折射率从纤芯到芯边缘渐渐变小） 光在渐变光纤中会自觉地进行调整，自聚焦。
• 光栅
平面光栅相长干涉的条件：ndsin k 相位光栅相长干涉的条件：2 nd sin k
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基本构成
QPS
单个测量系统构成
QPS
多个测量系统构成
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八、光纤光栅传感器的优点
低耗传输（损耗约0.2dB/km ） • 抗电磁干扰（光传输，频率远高于电磁波）数字编码 • 化学稳定，电绝缘性能好，抗腐蚀，特别适合于恶劣 和高危环境中应用光纤所用的材料为石英玻璃、氟化物 或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（即有机玻璃） • 质轻、径细、柔韧、成本低 （可埋入被测对象内，对环境影响小，安装简单） • 绝对测量，可自校准，重复性好 • 可分布式测量或逐点定位测量，无电测量 • 强大的数据管理功能，实时记录测量数据和操作日志， 并方便查询 • 兼容性好：可与其他系统实现互联互通；
kT
为温度响应
交叉敏感问题：利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度
界温度变化和应力变化量。
的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过解二元线性方程组来获得外 如使其中一条光纤光栅不受应力影响，上述方程组可得到简化，成了温度补 偿。反之，亦可构成应力补偿。
QPS
利用响应灵敏度不同的两条光纤光栅，测量同一 环境中的温度和应力，解线性方程组得到被测温 度和应力
B1 KT 1T K 1 B1
B 2 KT 2 T K 2 B 2
QPS
六、光纤光栅的输入输出wk.baidu.com
QPS
七、光纤光栅传感系统的基本构成
• 基本构成：宽带光源、分路器、光纤光栅、解调器 • 其余：除此之外光纤光栅传感系统还包括如下几个方面：
（1）光纤光栅网络系统： 该系统的功能是通过光缆将多个探头串接起来，并构成传感器矩阵， 形成传感器网络。
1978年由K.O.Hill用内写入法发现了光纤的光敏性。
• 外部写入法
---分波面干涉法、逐点写入法、振幅掩模法、接触式相位掩模法、
非接触式相位掩模法。相位掩模法使规模化生产成为可能。
QPS
相位掩模法
该技术不仅提高了光栅的写入效率，而且通过改变两束相干光的夹角， 还可以改变光栅的周期，从而达到控制光纤光栅布喇格波长的目的。
如载氢技术、光纤还原法、多种掺杂等 •光纤生命周期和热稳定性
般考虑热退化（即擦除温度）和机械强度。
QPS
四、光纤光栅的写入
• 写入方法
----可分为内部写入与外部写入（侧写）。
• 内部写入法
---射入光纤的激光经另一端反射镜反射后与入射光相干涉形成驻波，
在光纤内]形成了与驻波周期相一致的体积折射率光栅…Bragg光栅。
光纤光栅传感器基本知识
一、简述 二、光学基本知识 三、光纤的光敏性 四、光纤光栅的写入 五、光纤光栅测量原理 六、光纤光栅的输入输出 七、实际传感系统的基本构成 八、光纤光栅传感器的优点
QPS QPS
一、光纤光栅传感器简述
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内 形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成 一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，其 光学性质又受控于外界环境物理量，从而构成了 光纤光栅传感器。 光纤本身具有低耗传输、抗电磁干扰、质 轻、径细、柔韧、化学稳定、电绝缘等优点，光 纤光栅传感器成了无与伦比的新一代传感器，具 有广泛的应用前景。
（2）光纤通讯传输网络：
不同位置的监测点可以使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息 处理及分析系统上。
（3）信息处理及分析系统： 该系统由光纤光栅传感探测信号处理器以及计算机软件构成，信号处理 器系统功能包括系统的信息收集、处理和传送，计算机软件系统包括信 息处理、分析、传送、储存管理、预警、报警功能。
• Bragg
条件： B 2neff
neff
式中： B ---Bragg 波长;
---光栅的---光栅周期,即折射率调制的空间周期有效折射率， 即折射率调制幅度大小的平均效应; •传感原理：Bragg光栅的反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定， 而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数等参数的函数。任何使这些参量发 生改变的物理过程（如：温度、应力等）都将引起光栅Bragg波长的漂移。建立 并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，即可由光纤布拉格中心波长的 变化获得被测量。
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布拉格定律
当入射波从晶体中的平行原子平面作镜面反射，若平行晶面 间距为d，则相邻平行晶面反射的射线行程差是2ndsin ，当 行程差是波长的整数倍时，来自相继平面的辐射就发生了相 长干涉。 这就是布拉格定律。
2nd sin k
入射光
反射光会聚点
d
两镜面反射光光程差的计算
QPS
三、光纤的光敏性
紫外激光光束 金属掩模
相位掩模 干涉
光纤纤芯
光纤中写入光栅的相位掩模几何原理
QPS
相位掩膜技术
QPS
2009/6/17 9
五、光纤光栅测量原理
•相长干涉：当光入射到纤芯中，在折射率周期性变化的介质表面发生反射和透射。
当在不同界面上反射的光的光程差是某个波长的整数倍时，将发生相长干涉， 由此可得布拉格条件。反射峰非常窄。
QPS
布拉格反射
反 射 功 率
波长
QPS
传感模型：光纤光栅的传感模型有 ：应变传感模型 、温度传感模型 、动态
磁场传感模型。通常，可以只考虑温度和应力的影响。
基本公式：
B
B
k
T
T
k
其中： B 为布拉格波长， T 为温度变化量， 为应力变化量； 灵敏度系数， k 为应变响应灵敏度系数。
QPS
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sin 2 n1 sin 1 n2
二、光学基本知识
• 光的反射--反射定律 • 光的折射--折射定律 • 光的全反射--光疏、光密介质、临界角
光线从光密介质射向光疏介质；入射角大于临界角
• 光的衍射-- 光的波动性，非直线传播 • 光的干涉 -- 干涉现象、莫尔条纹、相干光源
•光纤的光敏性
外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化
•光敏机理
光敏效应在微观上可能与众多物理因素有关，是一个非常复杂的物理过程， 目前还不能给出完全定量化的描述缺陷又被称为色心，是光敏性的原因。 常用的解释模型有色心模型、密致模型。是光的粒子性的一种表现
•增敏技术
常用的增敏技术有：增加缺陷浓度；掺入具有较大紫外吸收系数的杂质； 增加纤芯与包层之间的热特性失配度等等
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nd sin k
• 光纤 光纤中引导光传播的基本原理是全反射
折射率阶跃光纤 （包层与纤芯为折射率不同的两种均匀材料） 折射率梯度光纤（折射率从纤芯到芯边缘渐渐变小） 光在渐变光纤中会自觉地进行调整，自聚焦。
• 光栅
平面光栅相长干涉的条件：ndsin k 相位光栅相长干涉的条件：2 nd sin k