光纤光栅的传感、解调及复用技术介绍

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
=?
p来自百度文库 / με
传感信号的读取：⎪⎨解Δλ调B
⎪⎩ ΔT
=
?
▲ 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
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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 。
… 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：
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
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。
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
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
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。
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
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)
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：
– 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
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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。