光纤传感技术

光信息技术导论
Wuhan University of Technology

第五讲 光纤传感技术

本章内容
一、光纤传感器概述 二、光纤传感器原理及应用

一、光纤传感器概述
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1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.） 率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在 0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤，光纤在 通信技术中便开始用于实现长距离传输信息； 与此同时，人们发现：光波在光纤中传输时。由于外 界因素（如温度、振动、磁场、电场等）对光纤的作 用，会使光纤的物理特性发生变化。于是人们就想到 利用这些效应把光纤作为获取信息的元件，也就是传 感元件； 利用光纤作为传感元件的仪器就叫做光纤传感器。随 着这一技术的进一步发展，把由光纤连接的所有传感 器都统称为光纤传感器。
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E＝ E传 t＋ψ ) 0cos( 光 纤 感ω 器 原理
原理：光纤中的光波参数如光强、频率、波长、
相位以及偏振态等随外界参数变化而变化，通过 检测光纤中光波参数的变化达到检测外界被测物 理量的目的。

1、光纤传感器的分类（Ⅰ）
(1) 光纤在传感器中的作用
传感型（功能型）：光纤本身作为传感元件
传光型（非功能型）：其他敏感元件获取信息， 由光纤进行传输

(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
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光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏 感元件，光在光纤内受被测量调制。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
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光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感 元件上受被测量调制。 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。

1、光纤传感器的分类（Ⅱ）
(2)根据光受被测对象的调制形式
入射光波
入射光波的特征参量： 振幅，相位，偏振态，波长等
出射光波
外界因素： 温度，压力，电 磁场，位移
(a) 强度调制型光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器
(b) 偏振调制光纤传感器 (d) 相位调制传感器

光调制与解调技术
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光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、 频率和波长等方式。 光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到 载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。 在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波 光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光 电探测器进行检测。
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4、波长调制型光纤传感器
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按照被调制的光波参数Æ
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强度调制型 相位调制型 波长调制型 偏振调制型
外界因素： 温度，压力，电 磁场，位移
入射光波
入射光波的特征参量：波长
出射光波
外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变 光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到 被测量，这类调制方式称为光波长调制。

波长调制机理
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引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化
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荧光、磷光、黑体辐射等－非功能型 光纤光栅－功能型
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光纤光栅 应用领域－通信、传感、信息处理
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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 光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线

传感应用
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光纤光栅传感器
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优点：
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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
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不足：解调系统昂贵、动态范围受限

光纤的光敏性
光敏性的定义：物质的物理或化学性质在外部光的作 用下发生暂时或永久性的改变的材料属性。 光纤－折射率、吸收谱、内部应力、密度和非线性极 化率等的永久性改变。
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历史
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1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的 FBG

光纤Bragg光栅(FBG)
λB
Λ
nc ncl
λB = 2ncore Λ eff

光纤光栅的制造
¾ 内写入法 ¾ 全息法 ¾相位模板法 ¾ 振幅模板法

光纤光栅的传感原理
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基本传感原理

波长调制机理
布喇格波长
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λB = 2neff Λ
"
应变测量
Δλ B = K ε Δε
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温度测量
ΔλB = K T ΔT
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灵敏度：1με ⇒ 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
灵敏度：1°C ⇒ 10pm 测量范围：200 °C

FBG应变传感模型
λB = 2neff Λ eff ⇒ ΔλB = 2neff ΔΛ + 2Δneff Λ
弹性变形 弹光效应
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光栅光栅为各向同性圆柱体－ σ r , σ θ ,
横向应力作用
σz
纵向应力作用
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几点假设：
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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； 所有应力均为静应力，不考虑随时间变化

FBG基本实验系统
FB200波长监控器
FBG 3 2 1 光环行器 AQ4315 ASE 宽带光源 波长1
FBG
波长2