第四章_波长调制型和频率调制型光纤传感_学

KT 0.63106 6.74108T 1.121010 T 2
当T=300K时，KT约为 约 8.37 106 C 。因此在实际应用中若温度变化范围较大，则 应考虑温度的非线性影响。
9.51 106 C ，而T=200K时则降为大
• 应力传感
前提假设： 1、光纤光栅遵守胡克定律，内部不存在切应变。 2、紫外光致折射率变化在光纤截面均匀分布，不影响光纤 各向同性。 3、应力不随时间变化
1.1 0.4
• 光纤辐射温度计主要优点是非接触测量，可用于瞬时高温测量，且响 应快。光纤辐射温度计在冶金、窑炉、高频淬火、涡轮发电机、电站、 油库等方面得到广泛的应用。
• 利用位移进行波长调制
利用磷光（荧光）光谱变化进行波长调制
光纤光栅的传感机理
光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制 周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影 响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光 纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅传感 器的基本工作原理。 温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基 本的物理量，其它各种物理量的传感都是以光纤光栅的应 变温度传感为基础间接衍生出来的。 由于光纤光栅同时对温度、应变和压力敏感，因此如 何区分温度和应变、压力信号是光纤光栅传感器在实际应 用中必须解决的交叉敏感问题。
Bragg 光栅传感原理 应变和压力影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光 效应引起的，而温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热 光效应引起的。当外界的温度、应变、压力等参量发生变化 时
B 2neff 2neff
• 温度传感
光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应 力引起的弹光效应。 前提假设 1、仅研究光纤自身各种热效应，忽略外护层及被层 物体由于热效应引发的其他物理过程； 2、仅研究温度均匀分布情况。
C1
• 在蓝宝石光纤的一端涂覆高发射率的感温介质薄层并经高温烧结形成一 微型的光纤感温腔(热传感头)．当热传感头深入到热源时光纤感温腔与周 围环境迅速达到热平衡，感温腔辐射的光信号经蓝宝石光纤传输，所用 的蓝宝石单晶光纤直径一般为0.6～ 1.0mm，长为10～50cm，因此需要 用一根大芯径石英光纤或光纤束与蓝宝石光纤耦接以传输能量，辐射光 信号经透镜分束通过两选定的干涉滤光片(中心波长分别为820nm和 940nm，带宽为30nm)后由硅光电池探测接收。
B 2neff 2neff
因此光纤Bragg光栅的温度灵敏度为
B KT B T
对掺锗石英光纤， 0.5 106，常温下 7.0 106 ，由此估算出常温 下光纤Bragg光栅的温度灵敏度为7.5 10 C ，由于掺杂成分和掺杂浓度的不 同，各种光纤的膨胀系数和热光系数有较大差别，因此温度灵敏度的差别也 很大。
第四章 波长调制型和频率调制型 光纤传感器
波长调制
• 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测光纤中的波长 变化来测量各种物理量的原理．称为波长调制。 • 波长调制技术解调技术比较复杂，通常使用分光仪；采用光 学滤波和双波长检测技术后，解调技术简化了。由于波长调 制技术对其引起光纤或连续损耗增加的某些器件的稳定性不 敏感，广泛用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、 黑体辐射分析等方面。
• 从黑体腔出口经高温光纤直接耦合进入低温光纤，最后射入光电二极 管，响应范围０.4到1.1微米,n1，n2分别表示高温光纤与低温光纤与 检测器之间功率耦合效率，用Ｓ，Ｌ，α 分别表示高温光纤截面积， 长度，损耗系数，则光电管接收光功率为
P n1n2 S exp L M (T )d n1n2 S exp LM (W )
利用热色溶液进行波长调制测量温度
光源为60w钨丝的白光，经光纤进入热变色溶液(如溶于异丙醇溶液中的 氯化钴)，其反射光被另一光纤接收后，两束光分别经过波长为650nm和 800nm的滤光片，最后由光敏元件D1，D2接收。
•在波长为650nm时，光强随温度变化最灵敏；在波长为800nm时，光强 与温度无关。因此，选用这两种波长进行检测就能确定液体温度等外界物 理量。
温度影响Bragg波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和 轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为
T
式中α 为光纤的热膨胀系数。由热光效应引起的有效折Biblioteka Baidu率变化为
nc nc T
式中ξ 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。
j 1
6
式中i=l，2，3分别代表x，y，z方向。
由于剪切应力为零，故,应变张量矩阵．可用轴向应变表示为
当温度变化不大时，一般都认为是一个常数，因此Bragg波长的变 化与温度之间有较好的线性关系。 但实际上是温度的函数。50K~350K时掺锗石英的与温度T的关系可 以写为：
T 1.13106 6.74108T 1.121010 T 2
对掺锗石英光纤，忽略随温度变化产生的影响，则可以得到掺锗石英光纤 Bragg光栅的温度灵敏度公式为：
1．纵向应变(力)灵敏度
应变(力)影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。 假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。轴 向应变会引起光栅栅距的改变
i
有效折射率的变化可以由弹光系数矩阵和应变张量矩阵表示为
(1 n )i2 Pij j
黑体辐射
辐射温度传感器属于被动式温度测量，即无需光源，其测量原理是黑体辐射定律。
1 M b ( , T ) 5 C exp 2 1 T C1 2hc3 3.7415108 (W m 4 m 2 ) hc C2 1.4388104 m K kB