波长调制型光纤传感器

应 力
4.5
ν＝0.483
灵
敏 4
结论：
E＝0.39×109
应 力
6 E＝3.9×109
灵5
敏
度 系
3.5 3
•
欲提高光纤光E＝栅10的×10应9 变度系灵4敏度系数，必须选ν＝用0.98
数 2.5 (101 1/(N 2 /m2)1.5
•
低 选弹 用高性E＝弹模72×性量109模、E＝高量10泊、0×1松低09 比泊数(1/的松m1/(0N21)23涂比敷的材金料属进材行料ν＝保进v0＝ν.1＝0护行7.408.73。涂0
• 所有应力均为静应力，不考虑随时间变化
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5.5 波长调制机理
布喇格波长 B 2neff
应变测量
温度测量
B K
B KT T
• 灵敏度：1 1pm • 测量范围：1％ • 频率响应：可达1MHz
• 灵敏度：1C 10pm • 测量范围：200 C
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传感应用
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
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光纤的光敏性
历史
制造－振幅模板、逐 点写入法
CORE
CLADDING
L (ncore ncladding )eff
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5.5.* 光纤光栅的主要类型 cont’d
啁啾光栅 （chirped）
• 结构：周期沿光纤轴向短 长 变化－线性、非线性
• 宽带反射谱：可达 100nm
NAk=0.1z1z
NA=0.11
NA=0.13
NA=0.15
-BB0.z000w6g
0
a neff
neff
a1
4
kwg neff
NA=0.17
a rr 2
kwg neff
av zz
3
5
光纤芯径（μm）
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光纤光栅增敏与去敏设计
不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度 的增加造成的灵敏度饱和现象
涂层厚度（μm）
结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的 材料
光纤光栅
波长调制型光纤传感器
Fiber Optic Sensors Lecture 6
光纤传感器的分类
功能型
• 按照被调制的光波参数
强度调制型
相位/频率调制型
波长调制型
偏振调制型
入射光波
外界因素： 温度，压力，电
磁场，位移
入射光波的特征参量：波长
出射光波
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相位光栅
• FBG某些点处的周期性 被破坏附加相移解 复用器
SIDE-MODE
MAIN-MODE
l
B 2neff 1 (r l)2
CORE CLADDING
r，为光栅写入时， 距相位模版远端的 距离
l1
l1
CORE CLADDING
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5.5.* FBG应变传感模型
) 1 0 敷2，才4 能达6 到8提高10 ×光103栅)稳定1 0 性的2 目4的 6 8 10 ×103
涂层厚度（μm）
涂层厚度（μm）
光纤光栅增敏与去敏设计
不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤光栅应 力灵敏度系数的影响
应
力 灵
1.08
敏
E＝86.5×109
应 力 1.08 灵 敏
ν＝0.98
• 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
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5.5.* 光纤光栅的主要类型
光纤BragLeabharlann Baidu光栅(FBG)
λB
nc ncl
B 2ncoreeff
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5.5.* 光纤光栅的主要类型 cont’d
长周期光栅 LPG
• 导模包层模，损耗 • 宽带透射谱－增益平坦 • 灵敏
5.5 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
• 传感 • 光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线
度 系
1.07
数
(10- 1.06 11/(
E＝90×109 E＝110×109
度 1.06 系 数 (10- 1.04 11/(
ν＝0.7 v＝0.483
N/m 2)) 1.05
E＝120×109
N/m1.02 2))
ν＝0.17
02
4
6
8 10 ×103
0
2
4
6
8 10 ×103
涂层厚度（μm）
• 应用
色散补偿：100km （at1550nm）的色散 3.6cm
宽带滤波器
增益平坦
CORE CLADDING
B (z) 2neff (z)(z)
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5.5.* 光纤光栅的主要类型 cont’d
闪耀光栅
• 结构：波矢方向与光纤 轴有一夹角模式耦合： 导模包层模/异阶导 模
B 2neff eff B 2neff 2neff
对于各向同性圆柱体－
弹性变形 弹光效应
r , , z
几点假设：
横向应力作用 纵向应力作用
• 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；
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FBG应变传感模型
弹光效应引起的波长
漂移纵向应变灵敏度
系数
0
1.22 pm / 相 对-0.0002
波光导栅效波应 长引 相起 对灵 度 数 敏 系的 漂-0.光移000纤4
BZ B
n2 eff 2
P11 P12 P12 1 zz