光纤光栅的传感、解调及复用技术介绍
光纤光栅传感信号的解调及复用技术
光纤光栅传感信号的解调及复用技术
熊燕玲;李晓军;王莹;王喜明;黄金哲;杨玉强
【期刊名称】《经济技术协作信息》
【年(卷),期】2012(000)025
【摘要】近年来光纤光栅（FBG）在传感方面的研究已经越来越引起人们的重视，它是一种波长调制型的光无源器件，通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获得传感信息。
它不仅具有一般光纤传感器的优点，同时具有低成本、复用能力强、探头结构简单、尺寸小、重复性好、制作工艺成熟等独特优点，是实现多点测量的理想选择。
而解调技术和复用技术是FBG传感技术向实用化发展的关键，直接决定
了传感系统的性能。
一、光纤光栅传感信号解调方法
【总页数】2页(P88-89)
【作者】熊燕玲;李晓军;王莹;王喜明;黄金哲;杨玉强
【作者单位】哈尔滨理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN915.1
【相关文献】
1.光纤光栅传感信号边缘滤波解调技术研究进展 [J], 吴晶;吴晗平;黄俊斌;顾宏灿
2.光纤光栅传感器的解调与复用技术 [J], 胡家艳;印新达
3.光纤光栅传感信号解调技术研究进展 [J], 吴晶;吴晗平;黄俊斌;顾宏灿
4.迈克尔逊干涉仪在光纤光栅传感信号解调中的应用 [J], 陶传义
5.光纤光栅传感信号解调技术研究 [J], 赵欣丹;张小栋;侯成刚;牛杭
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光纤光栅传感技术
光纤光栅传感技术随着科技的不断发展，传感技术也不断得到创新和突破。
光纤光栅传感技术是一种新兴的传感技术，它可以利用光纤光栅的特殊结构将物理量转换成光学信号，从而实现物理量的测量和监测。
本文将从光纤光栅传感技术的原理、应用和发展前景三个方面进行详细介绍。
一、光纤光栅传感技术的原理光纤光栅传感技术是一种基于光纤光栅的传感技术，其原理是利用光纤光栅的布拉格反射原理将物理量转换成光学信号。
光纤光栅是一种光学器件，它是由一段光纤中周期性改变折射率的结构组成。
当入射光线经过光纤光栅时，会被反射或透射，其中反射的光线会发生布拉格反射，即反射光线的波长和入射光线的波长满足以下条件：2n Λ=λ，其中n为光的折射率，Λ为光纤光栅的周期，λ为入射光的波长。
因此，光纤光栅可以将入射光的波长转换为光学信号的强度，从而实现物理量的测量和监测。
二、光纤光栅传感技术的应用光纤光栅传感技术具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面： 1.温度传感：光纤光栅传感技术可以利用光纤光栅的热敏特性实现温度的测量和监测。
通过光纤光栅的布拉格反射原理，可以将温度转换成光学信号的强度，从而实现温度的监测和控制。
2.应变传感：光纤光栅传感技术可以利用光纤光栅的应变敏感特性实现应变的测量和监测。
通过光纤光栅的布拉格反射原理，可以将应变转换成光学信号的强度，从而实现应变的监测和控制。
3.压力传感：光纤光栅传感技术可以利用光纤光栅的压力敏感特性实现压力的测量和监测。
通过光纤光栅的布拉格反射原理，可以将压力转换成光学信号的强度，从而实现压力的监测和控制。
4.化学传感：光纤光栅传感技术可以利用光纤光栅的化学敏感特性实现化学物质的测量和监测。
通过光纤光栅的布拉格反射原理，可以将化学物质的浓度转换成光学信号的强度，从而实现化学物质的监测和控制。
三、光纤光栅传感技术的发展前景光纤光栅传感技术具有广泛的应用前景，随着科技的不断发展，其应用领域也在不断拓展。
未来，光纤光栅传感技术将在以下几个方面得到进一步的发展：1.多功能传感：光纤光栅传感技术将实现多功能传感，即通过一个光纤光栅实现多种物理量的测量和监测。
光纤光栅传感原理
FBG 传感器基本结构及传感原理光纤光栅是一段纤芯中具有折射率周期性变化结构的光纤，利用光纤的光敏特性制成的，由于石英光纤具有紫外光敏特性，故可在光纤上直接制作光波导结构形成光纤波导器件，相当于在纤芯内有一个窄带滤波器或者反射镜。
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的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。
它具有以下明显优点：(l)抗干扰能力强。
一方面是因为普通的传输光纤不会影响传输光波的频率特性；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。
(2)传感头结构简单、尺寸小，适合于许多工程应用场合，尤其是智能材料与结构。
(3)测量结果具有良好的重复性。
(4)能进行波长编码，便于构成各种形式的光纤传感网络。
(5)制作时对光纤无机械损伤，是一种本征传感器，可靠性好。
(6)波长移动响应快，线性输出动态范围宽。
(7)具有波长自参考特点，能实现绝对测量。
(8)具有对环境干扰不敏感性。
光纤光栅是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，通过空间周期性强紫外激光照射使外界入射光子和纤芯里面的掺杂粒子相互作用，使纤芯形成折射率沿轴向非周期性或周期性分布的结构，从而形成空间相位光栅。
FBG 结构如图1 所示，其中，内层为纤芯结构，外层为包层结构，纤芯的折射率比包层的折射率稍大。
图中Λ为光栅的周期，当光波通过FBG 传感器时，满足特定波长的光被光纤光栅反射回去，其他波长的光透过【】。
图1光纤布拉格光栅结构示意图根据光纤耦合模理论，光纤Bragg 光栅的谐振方程为：Λ=eff B n 2λ (1) 式中λB 为光纤Bragg 中心波长；n eff 为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。
由此可知FBG 传感器中心波长由其纤芯有效值折射律和光栅周期共同决定。
对（1）式微分得：∆Λ+Λ∆=∆eff eff B n n 22λ （2）由（2）式可知，n eff 或Λ改变时，光纤Bragg 中心波长会发生漂移。
光纤光栅的解调技术
可调谐波长的光纤F a b r y-Perot滤波器检测单个传感光栅的
跟踪模式
（2）声光可调谐滤波器
• 声-光可调谐滤波器（AOTF）是一种由射频（RF）驱动 频率可调谐的固态光滤波器，其中，AOTF的波长调谐范 围可宽至几个毫米，时间响应可小于5kHz，并具有窄的 光谱带宽。该器件可工作于多种模式，如分光计、颤动滤 波器和跟踪滤波器等。若提供覆盖整个工作范围的宽带光 源或光源组，AOTF可应用于大规模光纤Bragg光栅阵列 的波长复用。利用AOTF中不同频率的多射频信号，原理 上可实现多光栅的并行检测。 • 声光可调谐滤波器有两种工作模式，即扫描模式和锁定模 式。在扫描模式中，AOTF受电压控制振荡器（VCO）在 传感波长范围内的调节，来自光栅的功率被记录下来；在 锁定模式中，检测系统采用反馈环来跟踪特定的光栅波长， 如图。 • 频率偏离与滤波传输、光栅反射率和强度噪声无关。该技 术可跟踪多光栅的波长，工作于传输和反射结构。
声-光可调谐滤波器检测传感光栅的原理
4．匹配光栅检测法
在检测端设置一参考光栅，其光栅常数与传感光栅相同。参考光 栅贴于一压电陶瓷片（PZT）上，PZT由一外加扫描电压控制， 如图 。当传感光栅处于自由态时，参考光栅的反射光最强，光 探测器输出信号幅度最高。这时控制扫描信号发生器使之固定输 出为零电平，当传感光栅感应外界温度和应变时，发生移位，使 参考光栅的反射光强下降，信号发生器工作，使参考光栅的输出 重新达到原有值，这时的扫描电压对应一定的外界物理量。
光纤光栅信号解调技术
信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信 息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的 大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静 态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。 从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、 相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有 将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和 耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。如 图，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅， 传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着， 带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收 通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用 的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息 的细致描述。相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。
光纤光栅及其传感技术
光纤光栅及其传感技术
光纤光栅是一种利用光的干涉原理来实现光信号传输和传感的技术。
它具有高灵敏度、高分辨率和广泛的应用领域等特点，被广泛应
用于光通信、光传感和光学仪器等领域。
光纤光栅的基本原理是利用光纤的折射率分布在一定长度内变化，形成一定的反射光强分布，从而实现对光信号的控制和传感。
常见的
光纤光栅有两种类型，分别是光纤光栅传输器和光纤光栅传感器。
光纤光栅传输器是利用光纤光栅的反射、透射和干涉等特性，将
光信号传输到目标位置。
它可以实现对光信号的调制、分光、合并等
功能，为光通信系统提供了重要的技术支持。
光纤光栅传输器的应用
领域包括光纤通信、光纤传感、激光器和光放大器等。
光纤光栅传感器则是将光纤光栅作为敏感元件，实现对温度、应变、压力、湿度等物理量的测量。
光纤光栅传感器具有灵敏度高、抗
干扰性强、体积小等优点，被广泛应用于工业生产、环境监测、医学
诊断等领域。
光纤光栅传感器的工作原理是通过测量光纤光栅的反射
光波长或亮度的变化，来推断被测量物理量的变化。
光纤光栅技术的发展为光通信和光传感领域带来了重大突破。
它
不仅提高了光通信系统的传输质量和性能稳定性，而且为物理量测量
和环境监测等领域提供了一种高精度、实时的测量手段。
总结起来，光纤光栅是一种基于光的干涉原理的传感技术，具有
高灵敏度和广泛的应用领域。
它可以应用于光通信系统的光纤传输和
光传感器的物理量测量等领域。
随着光纤光栅技术的不断发展和突破，相信它将在未来的互联网技术应用中发挥越来越重要的作用。
光纤光栅的传感、解调及复用技术
特点：突破了（最初方法）纵向驻波法对Bragg中心反射波长的限制写入效率明显提高，操作简单，促进了光纤写入技术的研究，得到广泛。
相位掩模的高级衍射波强度较弱，通常只考虑0级和±衍射波，在正入射情况下±1衍射波的强度相等。
衍射角)反射光谱()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧Δ⎯→⎯Δ⎯⎯→⎯⇒−+Δ+=Δ⎯→⎯==ΔP T B B B BT e B B λλλλεξαλλε001⎪⎪⎩⎪⎪⎨=ΔΔ=TB λε温度传感器和应变传感器以及补偿？传感信号的读取：解调…光纤光栅传感器的种类光纤光栅传感器利用光纤光栅温度、应变敏感的特性，通过传感头的设计/封装，可以测量各种物理参数：▲温度▲应变▲压力▲位移▲液位▲加速度▲气体含量▲弯曲▲…光纤光栅传感原理及应用光纤光栅（FBG）传感器传感应用光纤光栅传感器的特点1、材料优势：▼传感器体积小，重量轻▼耐化学腐蚀▼优异的耐疲劳特性▼传感器本质防爆▼适和应用于恶劣环境2、传感优势：▼光纤既是传感器又是信号传输媒介，抗强电磁干扰▼测点数多，可串，并联组网，可多参数测量▼长距离传输，可达40km▼可靠性高，在某个传感器失效情况下，其它传感器数据仍可有效测量光纤光栅传感器的应用光纤光栅产品健康安全监测应用领域▲航空航天（增强碳纤维复合材料健康监测，航天飞机温度和应变监测）▲舰船（结构健康安全监测，纤维增强塑料闸门实时监测）▲土木（建筑，桥梁，边坡，矿井结构安全监测）▲电力（开关柜、变压器、电缆沟/井安全监测）▲石化（油品计量，液位测量，火灾报警，海洋平台/油井温度和压力/应变监测）HUST轨道交通：地铁健康安全监测1、直流电源线支架安全监测；2、隧道壁压力监测；3、隧道内的火灾监测；4、高压动力电缆温度监测油田：地下油井健康安全监测1、压力监测；2、温度监测；光纤光栅传感器的应用海上石油钻井平台航空航天石化：海洋平台冰激安全健康监测> 5 mGeodetectPlatform Ballast Rails0,5 m0,25 m轨道交通：Arbois铁路地基变形监测石化行业：储油罐温度监测光源耦合器FBG传感器MPU System放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission ASE)宽带光源波长：1525nm-1565nm功率：20dBm(100mW)平坦度：小于2ASE宽带光源光源的主体部分是增益介质掺铒光纤(Erbium Doped fiber，EDF）和高性能的泵浦激光器。
光纤光栅传感器及解调系统
液(气)压传感器
深井光纤压力＆温度传感器 一个OS600-200传感器被固定在OS600-209架上
FBG信号解调系统
光纤光栅传感器网络
• 传感器网络：由多个传感器按照某种规则分布在特定的传感
测量区域内形成的网络，也特指具有采集和通信能力的微型传感器组 成的网络。
• 光纤光栅传感网络：由光纤光栅传感器件（包括FBG，
LBG等）经过某些特定的连接方式组合而成的传感器网络。
• 优势：
多个不同类型的光纤光栅传感器可在一条光纤上串接复用，构成传感 器阵列，实现多参量的准分布式实时测量。
多个光纤光栅传感器使用单一的光源和单一的解调装置，可以降低设 备成本。
• 传感网络系统的主要性能指标： • 波长位移或应变、温度分辨力 • 复用传感器数量或网络规模 • 对系统中每个传感器的采样速度
• 1.5 光纤耦合器和光开关有什么区别？如果想把一个光源的光分配到 不同的4路通道中，是选择光纤耦合器还是选择光开关？两者有什么 不同?什么时候必须选择光开关？什么时候必须选择光纤耦合器？什 么时候选择两者都可以？
What’s the difference between fiber coupler and optical switch? If you want to allocate light from a source to 4 different channels, which one should you choose, fiber coupler or optical switch? What’s the difference between them? When you must choose optical switch? And when fiber coupler must be chosen? When you can choose both?
光纤光栅传感器的解调与复用技术
光纤光栅传感器的解调与复用技术胡家艳;印新达【摘要】光纤光栅传感器以其波长编码的独有优势适用于准分布式测量网络.文章介绍了光纤光栅传感器的解调方法,分析了其工作原理、性能和特点.提出了几种常用的光纤光栅复用方案,比较了它们的优缺点和组网规模,并指出准分布式传感网络的发展前景.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2006(000)001【总页数】4页(P63-66)【关键词】光纤布拉格光栅传感器;解调;复用【作者】胡家艳;印新达【作者单位】武汉光迅科技股份有限公司,湖北,武汉,430074;武汉光迅科技股份有限公司,湖北,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TN253光纤布拉格光栅(FBG)波长编码的特点使之容易实现在同一根光纤的任意位置上写入不同中心波长的光栅，并利用复用技术构成多点测量网络，这使其在分布式传感复用系统中具有很大的优势，能明显减少引线，降低成本，在大型结构(如大坝、桥梁、建筑、电力系统、石油矿井和航空)的安全检测和结构监控方面具有广阔的应用前景。
FBG传感系统的主要性能指标有：解调系统的分辨率、组网规模和响应速度。
这3项指标中，分辨率取决于传感系统采用的解调方案，组网规模则由光源的发射功率、网络的拓扑结构及解调系统的信噪比等因素决定，响应速度取决于解调技术和组网规模。
本文总结了FBG传感器的解调技术，分析和比较了几种典型解调方案的性能特点。
结合这些解调方案，介绍了FBG传感网络的复用拓扑结构，比较了各种复用方式的优缺点，并指出FBG传感网络的发展趋势。
1 FBG传感器的解调技术根据波长解调设备的不同，FBG传感器的解调方案主要分为无源探测方案和有源探测方案，具体见表1[1]。
考虑到解调系统对动静态信号的同时检测能力、响应速度、参量的分辨率以及复用组网的容量，本文选择了几种典型方案，以供讨论。
表1 FBG传感器的解调类型方案类型解调技术无源探测线性波长相关设备电荷耦合器件(CCD)分光计功率探测啁啾光栅检测有源探测Fabry-Perot滤波器非平衡Mach-Zehnder干涉仪光纤傅立叶转换分光计声光可调谐滤波器匹配光栅Michelson干涉仪长周期光栅干涉仪其它可调谐光源锁模光纤激光器内部光栅传感频率调制码分多址(CDMA)相关器1.1 CCD分光计法利用凹面光栅等分光元件，将传感用光纤光栅的反射谱(或透射谱)经透镜准直后在空间分离展开，当FBG传感器所在位置的应力或温度发生变化时，对应于CCD(Charge-Coupled Device)上的光斑将在纵向产生相应的位移，CCD对这种位移敏感，并将信息反馈至信号处理系统，经定标后即可直接得出光栅的中心波长值。
光纤光栅传感技术介绍
光纤光栅传感技术介绍光纤光栅传感技术是一种基于光纤光栅的传感原理和技术，能够实现对物理量、化学成分、生物特征等的高灵敏度、高精度、实时在线、非接触式监测与成像。
它具有光纤传感技术的优点，如抗干扰能力强、体积小、重量轻、灵活性高、耐磨损等，并且具有较大的应用潜力。
光纤光栅传感技术基于光栅的原理实现传感功能。
光栅是一种周期性的透明介质结构，可以将入射的光进行分散和反射。
当光纤光栅与外界环境发生变化时，如温度、应变、气压、震动等，会导致光栅的结构发生相应的变化，从而改变反射光的特性。
通过检测光栅反射光的特性变化，可以获取与外界环境相关的信息，实现对这些物理量的测量。
1.高灵敏度：光栅的结构变化会引起反射光的特性变化，通过对光栅反射光的测量和分析，可以实现对微小变化的灵敏检测。
2.高精度：光纤光栅传感技术采用光纤作为传输介质，通过光纤的传输特性，可以实现对信息的准确传输和测量。
3.实时在线：光纤光栅传感技术能够实时监测和测量外界环境的变化，适用于对时间敏感的应用场景。
4.非接触式监测与成像：光纤光栅传感技术基于光的传输和反射过程，无需直接接触被测对象，避免了传统传感技术中可能引起干扰、破坏的问题，并可以实现对复杂形状、特殊材料的监测与成像。
1.温度测量：光纤光栅传感技术可以通过测量光栅结构受温度变化导致的光纤长度的变化，实现对温度的测量。
与传统温度传感技术相比，光纤光栅传感技术具有更高的灵敏度和更广的测量范围。
2.应变测量：光纤光栅传感技术可以通过测量光栅受应变变形引起的光纤长度的变化，实现对应变的测量。
该技术广泛应用于结构健康监测、材料力学性能测试等领域。
3.气体传感：光纤光栅传感技术可以通过改变光栅的折射率，实现对气体成分的测量。
该技术被应用于环境气体监测、工业生产过程中有害气体的检测等领域。
4.生物医学应用：光纤光栅传感技术可以实现对生物组织、细胞等的测量和成像，用于生命科学研究、医学诊断等领域。
光纤光栅及其传感技术 -回复
光纤光栅及其传感技术-回复光纤光栅及其传感技术：光纤光栅是一种基于光栅化的传感器装置，通过利用光纤的折射率变化对物理量进行测量和监测。
它具有高灵敏度，快速响应以及不受电磁干扰的优点，被广泛应用于光通信、光纤传感以及激光测量等领域。
一、光纤光栅的基本原理光纤光栅是通过在光纤芯中制造周期性的折射率变化来实现的。
当光经过光纤光栅时，光的频率和波长会发生改变，这种改变与光纤中折射率的变化有关。
这种折射率变化可以通过光纤光栅中的折射率阶跃来表示，阶跃的宽度称为Bragg波长。
光纤光栅的制作通常采用两种方法：一是通过光纤外面的光栅介质对光纤进行外加光栅制作，二是通过直接在光纤芯中制造折射率变化。
制作完成后，光纤光栅被固定在一段光纤上，并与光源和光谱仪连接。
二、光纤光栅传感器的工作原理光纤光栅传感器利用光纤光栅对物理量的敏感性进行测量。
当光纤光栅中的物理量发生改变时，如温度、压力、应变等，其折射率也会发生相应的变化。
通过测量光纤光栅中的折射率变化，可以得出物理量的变化。
光纤光栅传感器的工作过程一般包括以下几个步骤：1. 信号光的激发：光源发出的光经过耦合器或直接由光纤输送至光纤光栅，激活传感器。
2. 光的反射与传播：光在光纤光栅中产生反射，并沿原来的路径传播回来。
3. 光谱仪的接收和分析：经过光纤光栅反射后的光进入光谱仪，光谱仪通过分析光线的频率和波长变化，对物理量进行测量。
4. 结果的输出和处理：通过将光谱仪得到的数据进行处理，将测量结果输出到显示设备或计算机上。
三、光纤光栅传感器的应用领域光纤光栅传感器具有许多应用领域，以下是其中几个常见的应用：1. 温度传感：通过测量光纤光栅中的折射率变化，可以得出环境温度的变化。
光纤光栅传感器在温度测量和控制方面具有高精度和高响应速度的优势，被广泛应用于工业过程控制和温度监测。
2. 应变测量：光纤光栅传感器可以用于测量物体受力后的形变，通过测量光纤光栅中的应变，可以获得物体的应变量。
光纤光栅信号解调技术光纤光栅传感器复用技术
光纤光栅信号解调技术，光纤光栅传感器复用技术一．光纤光栅信号解调技术信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。
从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。
其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。
如图1，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出。
由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息的细致描述。
相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。
图1 光纤光栅传感解调系统由上述可知，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的移动。
通常测量光波长都是用光谱分析仪，包括单色仪和傅立叶变换光谱仪等。
它的波长测量范围宽，分辨率高，能测量出微小的应变量，用于分布式测量也极为简便，但它体积大，价格昂贵，一般都用于实验室中，不宜实际现场使用。
在实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性，研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，以用于工程结构的现场实测与监控。
目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案：光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法，CCD 分光仪检测法，非平衡M-Z 干涉仪检测法等。
1．光谱仪和多波长计检测法在光纤光栅传感系统中，对波长移位最直接的检测方法是：利用宽带光源（如 发光二极管LED ），输入光纤光栅，再用光谱仪（或多波长计）检测输出光的中心波长移位B λ∆，如图2。
光纤光栅传感解调
光纤光栅传感解调
光纤光栅传感解调是一种利用光纤光栅作为传感器，通过测量光纤光栅反射或透射光谱的变化，来获取外界物理量（如温度、应变、压力等）的信息的技术。
光纤光栅传感解调的基本原理是：当外界物理量作用在光纤光栅上时，会导致光纤光栅的折射率或长度发生变化，从而改变光纤光栅的布拉格波长（即反射或透射最强的波长），这种变化与外界物理量有一定的关系，因此可以通过测量布拉格波长的变化来获取外界物理量的信息。
光纤光栅传感解调的主要组成部分有：宽频光源、分路器、光纤光栅传感器阵列、合路器、解调器和信号处理器。
宽频光源发出宽频的光信号，通过分路器分成多路，分别照射到不同的光纤光栅传感器上，然后通过合路器合成一路，输入到解调器中，解调器对合成的光信号进行光谱分析，得到各个光纤光栅的布拉格波长，并将其转换为电信号，输入到信号处理器中，信号处理器对电信号进行滤波、放大、数字化等处理，并通过算法计算出外界物理量的信息。
光纤光栅解调综述
光纤光栅解调综述一、引言光纤布拉格光栅（FBG）是一种重要的光学器件，具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性，广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。
基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现，突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制，大大拓展了其在分布式传感领域的应用。
本文将对光纤光栅解调技术进行综述。
二、光纤光栅解调技术准静态波长解调技术准静态波长解调技术是一种常用的光纤光栅解调方法。
它通过测量FBG中心波长的变化来解调传感信号。
准静态波长解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点，但需要精确控制光源的波长和带宽，对光源的稳定性要求较高。
高速波长解调技术高速波长解调技术是一种基于光谱分析的解调方法。
它通过测量FBG光谱的变化来解调传感信号。
高速波长解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点，但需要高分辨率的光谱分析仪，对硬件设备的要求较高。
增强型动态相位解调技术增强型动态相位解调技术是一种基于干涉仪的解调方法。
它通过测量FBG中心波长的变化来解调传感信号。
增强型动态相位解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点，但需要精确控制光源的波长和带宽，对光源的稳定性要求较高。
三、光纤光栅应用领域基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域，以及振动分布式的相位动态应用领域等，包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。
四、结论光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。
基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现，突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制，大大拓展了其在分布式传感领域的应用。
本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展，从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术，以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术，包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等，特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。
光栅光纤及其传感技术
光栅光纤及其传感技术
光栅光纤是一种基于光折射原理的传感技术。
其结构包括一根光
纤和一段光栅。
光栅是一种具有规则棱镜结构的光学组件，可以对光
线进行成型。
当光线从光纤传输到光栅时，其会被光栅中的棱镜反射、折射和衍射，形成特定的干涉图案和光谱，通过对这些特征进行分析
和处理，可以获取被测量物体的相关信息。
使用光栅光纤传感技术可以实现多种测量和监测应用，比如温度、压力、应变、形变、振动等参数的测量和监测。
其具有非接触性、高
灵敏度、高分辨率、远程传输等特点，适用于各种复杂环境和场合。
同时，光栅光纤技术还可以与其他传感技术相结合，实现更加精细和
多元化的测量与监测。
目前，光栅光纤传感技术已经被广泛应用于工业自动化、地震勘探、航空航天、生命科学等领域。
其在电力、石油、化工、交通等行
业中的应用也越来越广泛，为各行各业提供了有效的数据支持和技术
保障。
光纤光栅传感器的调制解调技术
光纤光栅传感器的调制解调技术光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor，FBG）是一种基于光纤技术的传感器，凭借其卓越的灵敏度、抗电磁干扰能力以及体积小巧的特点，广泛应用于温度、压力和应变等物理量的检测。
光纤光栅的工作原理基于布拉格反射（Bragg Reflection），通过改变光在光纤中的传播特性，实现对外界刺激的响应。
在此基础上，调制解调技术为光纤光栅传感器的信号处理提供了强有力的支持，保证了数据的准确性和可靠性。
1、光纤光栅的基本概念光纤光栅是一种周期性折射率变化的光纤结构，其核心在于对特定波长的光起到反射作用。
当光纤受到外部物理量的变化，如温度升高或压力增大时，光纤光栅的波长会相应发生变化。
这种波长的变化可以通过调制解调技术加以提取，从而获得相关的物理量信息。
2、调制技术光纤光栅传感器中常用的调制技术有相位调制、幅度调制和频率调制等。
其中，幅度调制是最为常见的方式，通过改变信号的振幅来传递信息。
在DK-3716-F050-P光纤光栅传感器的应用中，幅度调制主要体现在将外部物理量变化所导致的反射波长变化信息转化为电信号。
相位调制在光纤光栅传感器中的应用则依赖于光干涉原理，能够有效提高传感器的灵敏度。
这种调制方法适用于对微小变化的高精度测量，例如在结构健康监测中对微小裂缝或变形的检测。
随着技术的发展，频率调制方法逐渐受到重视，这种技术通过改变信号的频率来实现信息的传递，能够在噪声环境下提供更高的抗干扰能力。
3、解调技术解调技术是光纤光栅传感器中必不可少的一环，其主要任务是将调制后的信号转换回可读的物理量。
解调技术的实现方式多种多样，主要有光谱分析法、相位检测法和时域反射法等。
光谱分析法是通过分析光信号的光谱变化来获取传感器所测量的物理量。
该方法的优势在于能够同时获取多个光纤光栅传感器的信号，并且对波长变化的分辨率非常高。
利用光谱分析法，多个光纤光栅传感器可以通过一根光纤同时进行信号探测，适用于大范围的监测需求。
光纤光栅的应用及原理
光纤光栅的应用及原理1. 引言光纤光栅是一种重要的光纤传感技术，它利用光栅结构对光信号进行调制和传感。
本文将详细介绍光纤光栅的原理和应用领域，帮助读者了解该技术的基本原理和广泛应用。
2. 光纤光栅的原理光纤光栅是通过在光纤中引入周期性折射率变化结构来实现的。
当光信号经过光纤光栅时，会与折射率变化结构发生耦合，从而改变光信号的传输特性。
光纤光栅的原理可以简化为以下几个方面：•折射率变化结构：光纤光栅中的折射率变化结构通常是周期性的，通过改变周期和振幅可以调节光信号与光栅的耦合强度。
•光栅耦合：光信号穿过光纤光栅时，会与光栅中的折射率变化结构发生耦合，部分光信号会被散射或反射，从而改变光信号的传输特性。
•光信号调制：通过调节光纤光栅中的折射率变化结构，可以控制光信号的相位和振幅，实现对光信号的调制和控制。
3. 光纤光栅的应用领域光纤光栅在光纤通信、光纤传感和光纤激光器等领域有广泛的应用。
以下是光纤光栅在不同领域的具体应用：3.1 光纤通信•光纤滤波器：光纤光栅可以用作光纤滤波器，通过选择性地传输特定波长的光信号，实现波分复用和波分分离。
•光纤增益均衡器：利用光纤光栅的折射率变化结构，可以实现光信号的增益均衡，提高光纤通信系统的性能。
3.2 光纤传感•温度传感：光纤光栅可以根据环境温度的变化通过光信号的传感特性进行测量，具有高精度和高稳定性。
•应变传感：光纤光栅可以实现对材料或结构的应变测量，可以应用于土木工程、航空航天等领域。
3.3 光纤激光器•光纤光栅耦合激光器：利用光纤光栅的调制特性，可以实现高效率和低损耗的光纤激光器，广泛应用于通信和激光加工等领域。
4. 光纤光栅的优势和挑战光纤光栅作为一种重要的光纤传感技术，具有以下优势和挑战：4.1 优势•高灵敏度：光纤光栅可以实现对微小的光信号变化的检测，具有高灵敏度。
•实时性：光纤光栅可以实时检测光信号的变化，适用于实时监测和控制。
•压电效应：光纤光栅的工作原理中利用了压电效应，具有高效能转换和耐高温性能。
光纤光栅传感器技术基础知识
光纤光栅传感复用技术
– 波分复用(WDM)网络
不同反射波长的n个Bragg光栅沿单根光纤排列，分别放置于监测对象的 n个不同监测部位，当这些部位的待测物理量发生变化时，各个Bragg光 栅反射回来的波长编码信号就携带了相应部位的待测物理量的变化信息， 通过接收端的波长探测系统进行解码，并分析Bragg波长位移情况，即 可获得待测物理量的变化情况，从而实现对n个监测对象的实时、在线 监测。
减小放电电流 适当增大端面间隔
增大推进距离
光纤无源器件-光纤连接器
• 光纤焊接 • 光纤连接器 • 光纤耦合器
光纤无源器件-光纤连接器
• 光纤连接器的重要指标 ➢插入损耗 ➢回波损耗
① 球面接触：实现物理零距离接触 ② 非球面接触：微弱后向反射光很难
进入纤芯
光纤连接器的分类
活动光纤连接器的分类方法和类型非常多，例如：
光纤传感的基本原理
光纤传输的光波的特征参量（如振幅、相位、偏振态、 波长等）在外界环境因素（如温度、压力、位移、电场、磁 场、转动等）作用下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。通过测量光纤中传输光波 的特征参量的变化，就可以实现对各种环境物理量的测量。
光纤光栅基本原理
布喇格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射 一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，此 中心波长称之为布喇格波长。
布喇格波长决定于光纤纤芯折射率调制的空间周期Λ和调 制幅度的大小。用数学公式表示为：
B 2neff
λB 为光栅的布喇格波长
Neff 为光栅的有效折射率
Λ 为光栅条纹周期。
按传输媒介的不同： 1、常见的硅基光纤的单模、多模连接器；
2、其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器
光纤光栅及其传感技术 -回复
光纤光栅及其传感技术-回复光纤光栅及其传感技术是光纤传感技术中的重要组成部分。
光纤光栅是一种具有周期性折射率变化的光纤结构，通过改变光信号的传播路径和特性，实现对物理量的测量与检测。
本文将分为以下几个部分，逐步回答有关光纤光栅及其传感技术的问题。
1. 什么是光纤光栅？光纤光栅是一种具有周期性折射率变化的光纤结构。
它通常包含一段光纤上的周期性折射率变化区域，其中折射率的变化可以通过不同的方法实现，如热处理、UV曝光等。
光纤光栅可用于改变光信号的传播路径和特性，实现光纤传感等应用。
2. 光纤光栅的工作原理是什么？光纤光栅的工作原理基于光与周期性折射率变化之间的相互作用。
当光信号经过光纤光栅时，光的传播路径和特性会受到折射率的变化影响。
折射率变化会引起光的反射、折射和散射等过程，从而改变光信号的强度、频谱和相位等性质。
通过监测光信号的这些变化，可以实现对光纤传感器的测量与检测。
3. 光纤光栅的制备方法有哪些？光纤光栅的制备方法主要包括热处理法、UV曝光法、光刻法和相位掩模法等。
其中，热处理法是最常用的一种方法。
具体而言，热处理法通过使用激光或电弧等加热手段，在光纤上产生局部的高温区域，使光纤材料发生永久性的折射率变化。
这种方法制备的光纤光栅具有稳定性好、可重复使用等优点。
4. 光纤光栅的传感原理是什么？光纤光栅的传感原理是基于改变光纤光栅的折射率变化以实现对物理量的测量与检测。
光纤光栅通常以传感器的形式应用于测量环境参数，如温度、压力、应变、湿度等。
通过测量光信号在光纤光栅中的反射、折射或散射等变化，可以推测出环境物理量的大小和变化趋势。
5. 光纤光栅的应用领域有哪些？光纤光栅广泛应用于光纤传感技术领域。
它可以应用于温度传感、压力传感、应变传感、振动传感、湿度传感等各种环境物理量的测量与监测。
此外，光纤光栅还可用于光通信系统中的光波长选择器、光滤波器等功能元件的制备。
总结起来，光纤光栅及其传感技术是光纤传感技术中的重要组成部分，通过改变光信号的传播路径和特性，实现对物理量的测量与检测。
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。
尽管具有普遍性，却因为种种限制，在许多应用中显得缺乏安全、不切实际或无法使用。
基于光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术，利用“光”作为介质取代“电”，使用标准光纤替代铜线，从而克服种种的挑战：由于光纤不导电且电气无源的良好特性，可以消除由电磁干扰(EMI)引起的噪声影响，并且能在少量损耗乃至不损耗信号完整性的前提下远距离传输数据。
此外，多个FBG传感器可沿一根光纤通过菊花链(daisy chain)方式连接，极大减少了测量系统的尺寸、重量和复杂性。
1.FBG 光学传感器基础1.1概述近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。
尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。
这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。
光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。
在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。
通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。
1.2光纤传感器简介从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。
非固有型 (混合型) 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。
光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。
光纤主要由三个部分组成：纤芯(core)，包层(cladding)和保护层(buffer coating)。
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逐点写入法（2）
HUST
优点：对光源的相干性没有严格的要求； 光栅参数，如光栅长度、周期、和光谱响应等易
于调整。
缺点：曝光时间长，温度和光纤的应变都会引起 光栅间距的误差，光栅周期不能太小，适合写长 周期光栅。
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相位掩模写入法（1）
HUST
1993年 K.O.Hill研究组和美国AT &T Bell实验室 D.A.Anderson几乎同时提出掩模写入法，将光敏 光纤贴近相位掩模，利用相位掩模产生的近场衍 射所产生的干涉条纹在光纤中形成折射率的周期 性变化，从而形成光纤光栅。
光纤光栅传感原理
光纤光栅
1、在光纤上用紫外光刻写光栅，10mm的光纤光栅包含了 10000个在纤芯中规则分布的微小的反射镜面
2、温度/应变等物理量的变化与所导致的栅距变化呈线 性，光栅反射波长随栅距变化而线性变化；
分振幅写入原理
HUST
特点：突破了（最初方法）纵向驻波法对Bragg中心反射波长的限制 写入效率明显提高，操作简单，促进了光纤写入技术的研究，得到广泛 应用。
优点：相位掩模极大减小了光栅写入系统的复杂 性，减小了机械振动的敏感性降低，减小了对稳 定性的要求，对时间相干性和单色性的要求减低 了。
写入工艺简单、重复性好、成品率高，便于大规 模生产，成本相对较低。
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光纤光栅传感原理
光纤光栅传感原理
• 光纤光栅反射光的中心波长取决于光栅的条纹间距 • 光栅的条纹间距取决于：
满足光栅方程
Sin θm -Sin θi=mλ/Λpm
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相位掩模写入法（3）
HUST
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相位掩模写入法（3）
HUST
斜入射情况下的分布为 E(x)=E0(x)+E-1(x)+E+1(x)
0级和±1级干涉条纹的周期为 Λ＝ Λpm
而±1级衍射波产生的干涉周期为 Λ＝ 0.5Λpm
… Sensor3
λ3
Sensor n 接头2 λn
…
…
λ1 λ2 λ3
λn
反射光谱
透射光谱
1、采用波分复用技术，可实现一根光纤上串联多个个传感器；
2、通过对不同波长光栅进行特定封装，在一根光纤上可实现温度、应变 等多参数实时测量；
光纤光栅传感器的种类
光纤光栅传感器
利用光纤光栅温度、应变敏感的特性，通过传感头的 设计/封装，可以测量各种物理参数：
▲ 温度 ▲ 应变 ▲ 压力 ▲ 位移 ▲ 液位 ▲ 加速度 ▲ 气体含量 ▲ 弯曲 ▲…
光纤光栅传感原理及应用
光纤光栅（FBG）传感器传感应用
ห้องสมุดไป่ตู้
光纤光栅传感器的特点
1、材料优势： ▼ 传感器体积小，重量轻 ▼ 耐化学腐蚀 ▼ 优异的耐疲劳特性 ▼ 传感器本质防爆 ▼ 适和应用于恶劣环境
2、传感优势： ▼ 光纤既是传感器又是信号传输媒介，抗强电磁干扰 ▼ 测点数多，可串，并联组网，可多参数测量 ▼ 长距离传输，可达40km ▼ 可靠性高，在某个传感器失效情况下，其它传感器数
则两列波叠加形成的条纹是
I (x) = 2A12[1+ cos(2K sinθ1x)]
干涉条纹的周期为 Λ = λ = Λ PM 2sinθ1 2
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相位掩模写入法（5）
HUST
综上所述，无论斜入射还是正人射，相位掩模的 干涉条纹周期均与入射光的波长和衍射角有关。 斜入射时干涉条纹的周期与相位掩模的周期相同 ，正入射时干涉条纹的周期是相位掩模周期的一 半。
pm
/0
C
λB
=
2neff
Λ
⎯⎯温→度Δλ传λBB感= 器(α和+ ξ应)Δ变T 传+ (感1 −器Pe以)ε 及⇒补⎪⎪⎪⎨⎧ ⎯⎯偿εΔ⎯⎯？=T⎯0=→0→ΔΔλλλBBB==(α(1+−
Pe )ε ξ )ΔT
⎪⎩
λB
光纤光栅传感原理
波分复用技术
入射光谱
接头1 Sensor1 λ1
Sensor2 λ2
目前相位掩模法已成为最广泛使用的光纤光栅写 入法。
一、相位掩模的近场衍射特性
相位掩模是采用电子束平板印刷术或全息曝光蚀 刻于硅基片表面的一维周期性透射相位光栅，其 实质是一种特殊设计的光学衍射元件。
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相位掩模写入法（2）
HUST
相位掩模的高级衍射波强度较弱，通常只考虑0级和±1级 衍射波，在正入射情况下±1衍射波的强度相等。衍射角
FBG传感原理
FBG对通过的宽带光有选择性地反射窄带光，窄带光的中心波长由纤 芯折射率变化的周期和变化的大小来决定，其作用实质上是在纤芯内 形成一个窄带的滤波器或反射镜。
FBG传感原理
λB = 1550 nm时 ⇒
⎧ ΔλB ⎪⎪ ε
=?
pm / με
传感信号的读取：⎪⎨解Δλ调B
⎪⎩ ΔT
=
?
– 施加的应变 – 温度
反射光谱 波长漂移(nm)
中心波长
温度
光纤光栅传感原理
光在光纤光栅上的传输
入射光谱
光强
光强
光强
反射光谱
透射光谱
1、宽带光进入光纤，经过光栅反射回特定波长的光 2、通过测量光栅反射波长，换算被测体温度/应变等物理量； 3、光栅的温度特性约为10pm/℃，应变特性约为1.2pm/微应变
光纤光栅的传感、解调及复用技术
绪论
光纤光栅传感原理 光纤光栅解调技术 光纤光栅复用技术
光纤光栅传感原理
光纤
1、光纤是由外径125um的包层和直径9um的纤芯组成的 圆柱形细丝
2、纤芯由石英制成，光在纤芯内传输 3、250um涂敷层保护光纤并增强光纤的机械性能
涂覆层250um
包层125um 纤芯9um
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光强分布
HUST
干涉条纹的强度分布为：
I (z) = 2 A2[1 + cos(2kz sin θ + ϕ0 )]
光 纤 光 栅 的 Bragg 反 射 波 长
为
λB
=
neff λw nw sinθ
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逐点写入法（1）
HUST
逐点写入法是利用聚焦光束沿光纤逐点曝光，使 光纤纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光 栅的方法。关键在于光纤与写入光斑的相对位置 。
当sinθi+λ/Λpm>1时，可以消除零级衍射光。
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相位掩模写入法（4）
HUST
在正入射的情况下，齿高满足 h = λ 的情况下， 抑制了零级衍射条纹，则一级衍射2(可ng 表−1)示为：
E1(x) = A1 exp(iK sinθ1x)
E−1(x) = A1 exp(iK sinθ−1x)