第7章 光纤传感检测2.ppt

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1、17.3 光纤传感器实例反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。所使用所使用光纤束的特性光纤束的特性是影响这种类型光是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤探头的端部光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤发射光纤与接收光纤一般有四种分布一般有四种分布:(a):(a)随机分布随机分布;(b);(b)半球半球形对开分布形对开分布;(c);(c

2、)共轴内发射分布共轴内发射分布;(d);(d)共共轴外发射分布，如图所示。轴外发射分布，如图所示。2典典型位移输出曲线如图所示。在型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区输出曲线的前坡区I,I,输出信号强度输出信号强度增加得很快增加得很快,这一区域可以用于微这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区米级的位移测量。在后坡区II,II,信信号的减弱约与探头和被测表面之间号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比的距离平方成反比,可用于距离较可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。高的测量。反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器的原的原理如右图。理

3、如右图。1 1、探头紧贴被测件时，光不能探头紧贴被测件时，光不能反射，光敏元件不产生电信号。反射，光敏元件不产生电信号。2 2、被测表面逐渐远离探头时，、被测表面逐渐远离探头时，有一个有一个线性增长线性增长的输出信号。有的输出信号。有一最大输出值一最大输出值“光峰点光峰点”。3 3、继续远离时，输出信号越来、继续远离时，输出信号越来越弱，与越弱，与距离平方成反比距离平方成反比。345内调制式位移传感器内调制式位移传感器内调制式位移传感器内调制式位移传感器 利用利用微弯效应微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式制作的位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯

4、器位移，光纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移，从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部从而使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，纤芯中的光部分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器位移传感器.6u理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产生周期性微弯时，传播常数为性微弯时，传播

5、常数为 和和 的模之间就的模之间就会产生光功率的耦合。波纹板周期的长度会产生光功率的耦合。波纹板周期的长度 与与传播常数间满足下式传播常数间满足下式：7 HeNe激激光光器器发发射射出出来来的的光光聚聚焦焦到到阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤的的一一端端。此此光光纤纤没没有有涂涂覆覆层层，数数值值孔孔径径等等于于0.22。在在变变形形器器前前5cm长长的的光光纤纤上上除除上上黑黑色色涂涂料料，以以便便消消除除包层模中的光。包层模中的光。8 变变形形器器由由两两块块有有机机玻玻璃璃波波纹纹板板组组成成，每每块块波波纹纹板板共共有有5个个波波纹纹，每每个个波波纹纹的的长长度度为为3mm。变变形形器器的

6、的一一块块波波纹纹板板可可通通过过千千分分表表用用手手动动调调节节的的方方法法使使它它相相对对另另一一块块产产生生位位移移。另另一一块块板板可可用用压压电电式式变变换换器器产产生生动动态态位移。位移。9 用用体体积积为为1cm3的的灌灌满满甘甘油油的的检检测测器器检检测测包包层层模模中中的的光光信信号号。该该检检测测器器的的6个个内内表表面面安安装装着着6个个太太阳阳能能电电池池。检检测测器器的的直直流流输输出出用用数数字字式式毫毫伏伏表表读读数数、而而交交流流输输出出用用锁锁相相放放大大器器检检测测并并由由记记录录仪仪记记录放大器的输出。录放大器的输出。10相位干涉式位移传感器相位干涉式位移

7、传感器相位干涉式位移传感器相位干涉式位移传感器 Mach-Zehnder光光纤纤干干涉涉仪仪是是应应用用较较为为广广泛泛的的一一种种干干涉涉仪。可以用于测量位移，其工作原理如图：仪。可以用于测量位移，其工作原理如图：11 12 外外施施力力可可以以直直接接产产生生传传感感臂臂光光纤纤长长度度L和和直直径径d变变化化以以及及折折射率射率n变化。变化。为为了了改改善善光光纤纤对对压压力力的的传传感感灵灵敏敏度度，通通常常在在包包层层外外再再涂涂复复一一层层特特殊殊材材料料。传传感感臂臂上上涂涂复复材材料料具具有有“增增敏敏”特特性性，而而参参考考光光纤纤涂涂复复材材料料对对传传感感量量具具有有“去

8、去敏敏”特特性性。这这样样可可以以有有效效提提高检测信噪比。高检测信噪比。当当光光纤纤表表面面涂涂复复对对其其它它物物理理量量敏敏感感的的材材料料时时，例例如如磁磁致致伸伸缩缩材材料料、铝铝导导电电膜膜和和压压电电材材料料等等，则则可可以以实实现现对对其其它它物物理理量量，如磁场、电流、电压等的检测。如磁场、电流、电压等的检测。13光纤液面位移传感器光纤液面位移传感器探探头头在在空空气气中中时时，光光纤纤中中的的光光线线发发生生全全内内反反射射而而回回到到光光电电二二极极管管;当当探探头头接接触触液液面面时时，液液体体折折射射率率与与空空气气不不同同，全全内内反反射被破坏，部分光线进入液体，使

9、光电二极管的光强变弱。射被破坏，部分光线进入液体，使光电二极管的光强变弱。光光纤纤液液面面位位移移传传感感器器还还可可作作为为浓浓度度计计测测量量液液体体浓浓度度，液液位位传传感感器器可可用用于于易易燃燃、易易爆爆场场合合，但但不不能能检检测测污污浊浊液液体体及及会会粘粘附在测头表面的粘稠性物质。附在测头表面的粘稠性物质。LEDPD12传感器光纤探头结构传感器光纤探头结构14传感器光纤探头的不同结构传感器光纤探头的不同结构防液滴附着的方法防液滴附着的方法 反射膜反射膜 突出物突出物光纤光纤耦合器耦合器单光纤液位传感器结构单光纤液位传感器结构光纤光纤光纤光纤棱镜棱镜斜面反射式光斜面反射式光纤液位

10、传感器纤液位传感器15浸液自聚透镜光纤水银接收光源遮光板双金属片简单类型的光纤温度传感器简单类型的光纤温度传感器1、水银式光纤温度开关、水银式光纤温度开关2、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计16原原理理：半半导导体体材材料料的的光光吸吸收收与与禁禁带带宽宽度度Eg有有关关，光光子子能能量量大大于于Eg的的光光被被吸吸收收，光光子子能能量量等等于于Eg的的是是半半导导体体吸吸收收的的“红红限限波波长长g”，被被称称为为半半导导体体吸吸收收端端，在在吸吸收收端端，波波长长的的增增加加半半导导体体吸吸收收呈呈线线性性递递减减特特性性，超超过过这这一一波波长长范范围围的的光光几几乎乎不不产产生生吸吸

11、收收。当当温温度度增增加加时时，禁禁带带宽宽度度变变窄窄，红红限限波波长长线线性性地地变变长长，光光吸吸收收端端线线性性地地向向长长波方向平移。波方向平移。这个性质反映在半导体的透光性这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的射光谱与半导体的g g相匹配的发光二相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变光的强度或透射率，即可检测温度变化

12、。化。半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器图图 光吸收温度特性光吸收温度特性17图图1 1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器光纤温度传感器结构如图光纤温度传感器结构如图:光纤光纤环氧胶环氧胶半导体半导体反射膜反射膜图图22一种光纤温度单端式探头一种光纤温度单端式探头光纤角速度传感器(光纤陀螺)u 陀螺作为角位移和角速度测量的传感器，用于测量载陀螺作为角位移和角速度测量的传感器，用于测量载体的姿态角和角速度。和其它陀螺相比体的姿态角和角速度。和其它陀螺相比,光纤陀螺具有许光纤陀螺具有许多优点多优点。目前目前,光纤陀螺广泛用于诸多领域，比如，机器光纤陀螺

13、广泛用于诸多领域，比如，机器人的控制、高速列车、大地测量、石油钻井、雷达、舰艇、人的控制、高速列车、大地测量、石油钻井、雷达、舰艇、导弹、飞机的导航和制导等。导弹、飞机的导航和制导等。2022/12/18光纤陀螺的优点 光纤陀螺基于Sagnae效应，与机电陀螺或激光陀螺相比。具有如下显著特点：零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的耐冲击和抗加速度运动的能力；绕制的光纤增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级，从而有效地克服了激光陀螺仪的闭锁问题；无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；相干光束的传播时间极短，因而理论上可瞬间启动；易于采用集成光路技

14、术，信号稳定可靠，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；具有较宽的动态范围；结构简单，价格低。体积小，重量轻。2022/12/18 Sagnac Sagnac Sagnac Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光效应是指在任意几何形状的闭合光效应是指在任意几何形状的闭合光效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的

15、相向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。Sagnac效应光纤陀螺原理 来自光源的光束被分束器BS1分成两束光

16、，分别从光纤圈的两端藕合进光纤敏感线圈，沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束光，再经过合束器BS1而叠加产生干涉。当光纤圈处于静止状态时，从光纤圈两端出来的两束光，光程差为零。当光纤圈以角速率旋转时由于Sagnac效应，顺、逆时针方向传播的两束光产生光程差L可表示为：引起的相应的相位差为:上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差（即干涉光强）就可以获得角速率的信息2022/12/18简介:光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。在一段掺铒光纤中写入具有相移的光纤光栅

17、构成光纤激光器,水声压力作用在激光器上引起激光波长的移位,采用干涉法检测出波长移位引起的相位变化即得到声压的信息。光纤水声传感器(水听器)2022/12/18 光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测，它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。光纤水听器按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域已经形成产品，而光纤光栅水听器则是当前光纤水听器研究的热点。2022/12/18 由激光器发出的激光经3dB光纤耦合

18、器分为两路:一路构成光纤干涉仪的传感臂,接受声波的调制,另一路则构成参考臂,提供参考相位.两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器转换为电信号,经过信号处理就可以拾取声波的信息。图1 基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器（1）.干涉型光纤水听器原理2022/12/18 图2是基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图.激光经3dB 光纤耦合器分为两路,分别经过传感臂与参考臂,由另一个耦合器合束发生干涉,经光电探测器转换后拾取声信号。图2 基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器2022/12/18 图3是基于Fabry-Pero

19、t光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。由两个反射镜或一个光纤布拉格光栅（折射率按正弦变化，光强经反射不断增强）等形式构成一个FabryPerot干涉仪，激光经该干涉仪时形成多光束干涉，通过解调干涉的信号得到声信号。图3 基于Fabry-Perot光纤干涉仪光纤水听2022/12/18 图4是基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图.该型光纤水听器的核心是由一个33 光纤耦合器构成的Sagnac光纤环，顺时针或逆时针传播的激光经信号臂时由于信号臂感受外来声波，对称性被破坏,形成相位差,返回耦合器时干涉,解调干涉信号得到声信号。该水听器基于33耦合器结构,由一段传感光纤和一段延迟光纤组成Sa

20、gnac环,采用了掺铒光纤非偏振宽带光源.图4 基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器2022/12/182).强度型光纤水听器原理 强度型光纤水听器基于光纤中传输光强被声波调制的原理,该型光纤水听器研究开发较早,主要调制形式有光纤微弯式、光纤绞合式、受抑全内反射式及光栅式等。微弯光纤水听器是根据光纤微弯损耗导致光功率变化的原理而制成的光纤水听器.其原理如图5所示:两个活塞式构件受声压调制,它们的顶端是一带凹凸条纹的圆盘,受活塞推动而压迫光纤,光纤由于弯曲而损耗变化,这样输出光纤的光强受到调制,转换为电信号即可得到声场的声压信号。2022/12/183).光纤光栅型光纤水听器原理 该型水听器基于

21、光纤布拉格光栅反射波长随外界应力变化而移动原理，由于可在1根光纤上刻写多个光纤光栅，易构成准分布式传感。当宽带光源（BBS）输出光波经光纤布拉格光栅（FBG）时，波长满足该条件的光波将被反射，其余则透射式中：B为FBG 的中心反射波长；neff 为纤芯有效折射率，为光栅栅距。当传感光栅周围应力随水中声压变化时，将导致neff或的变化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移。2022/12/18 即实现水声声压对反射信号光的波长调制。据检测中心反射波长偏移，再根据neff、与声压间的线性关系，即可获得声压变化信息。由于外界水声作用在光栅上产生的应力应变很小，难以直接识别布拉格波长的微小位移量。因

22、此该光纤光栅水听器，不选宽带光源，而选可调谐窄带激光器，将其输出光波长调节在光纤光栅反射谱的1个边上。即当光栅透射谱在外界水声信号作用下移动时，输出光信号沿光栅透射谱的1边近似线性地被调制，如图6偏移量为2022/12/18图6 光纤光栅水听器实验原理图 光纤光栅型光纤水听器因光纤光栅的反射带宽较宽，如不对传感头增敏处理，在用干涉法解调时很难达到要求的信号分辨率。故具有窄带宽的光纤光栅激光器在提高灵敏度上优势明显，在水声信号为100Hz 时可达到0.61MHz/Pa的灵敏度。32反射式光纤压力传感器反射式光纤压力传感器这种传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加这种传感器是在前面介绍的光

23、纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的，其结构如图所示。光源发出的光经发射光上一个膜片构成的，其结构如图所示。光源发出的光经发射光纤传输并投射到膜片的内表面上纤传输并投射到膜片的内表面上,反射光由接收光纤接收并传反射光由接收光纤接收并传回光敏元件。回光敏元件。33D DS SF FF F变形器变形器光纤光纤A A 1 1 1 1 n n n n0 0 0 0n n n n2 2 2 2n n n n1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器 光纤被夹在一对锯齿板中光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有

24、能量损失。光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中处有部分散射到包层中.光纤微弯增大，散射掉的光光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应随之增加，纤芯输出光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。起的位移等物理量。34线偏振光线偏振光光源光源起起 偏偏器器/4/4波片波片

25、PyrexPyrex玻玻璃璃检偏器检偏器p p圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光p p光纤光纤G-lensG-lens起起偏偏器器波波片片晶晶体体检偏器检偏器光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器原理：利用光弹元件原理：利用光弹元件在应力作用下的双折在应力作用下的双折射效应。射效应。35全内反射光纤压力传惑器全内反射光纤压力传惑器全内反射光纤压力传惑器全内反射光纤压力传惑器36动态压力传感器动态压力传感器动态压力传感器动态压力传感器 这这种种压压力力传传感感器器的的灵灵敏敏度度极极高高，有有很很大大的的实实用用价价值值尤尤其其适适用用于于微微声声压压的的测测量量，对对测测量量空空间间尺尺寸

26、寸受受限限场场合合应应用用更更是是优优越越。它它的的工工作作带宽从直流可到带宽从直流可到20 MHz.37光纤应变传感器光纤应变传感器u采用脉冲传输时间法可以测量自由空间光路的长采用脉冲传输时间法可以测量自由空间光路的长度。这种方法通过测量光信号到达靶体又反射回度。这种方法通过测量光信号到达靶体又反射回来所占用的时间来确定光经过的距离。来所占用的时间来确定光经过的距离。u用光纤做测量光路，传输时间法可适用于任意弯用光纤做测量光路，传输时间法可适用于任意弯曲光路及其变化的测量。曲光路及其变化的测量。38系统的振荡周系统的振荡周期为期为式中式中L是光纤长是光纤长度；度；Ng=c/Vg是是光纤群速度

27、折射光纤群速度折射率；率；el是放大器、是放大器、鉴别器和导线产鉴别器和导线产生的电延迟时间，生的电延迟时间，39光纤加速度传感器光纤加速度传感器uu 加速度有各种形式如直线加速度，曲线加速加速度有各种形式如直线加速度，曲线加速加速度有各种形式如直线加速度，曲线加速加速度有各种形式如直线加速度，曲线加速度及振动加速度等。光纤加速度传感器最适合度及振动加速度等。光纤加速度传感器最适合度及振动加速度等。光纤加速度传感器最适合度及振动加速度等。光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度。测量微小振动加速度。测量微小振动加速度。测量微小振动加速度。40uu振动加速度传感器原理振动加速度传感器原理当低频振

28、动时，当低频振动时，x与惯与惯性力成比例即与物体性力成比例即与物体的振动加速度成比例。的振动加速度成比例。当振动频率提高到振动当振动频率提高到振动子的固有振动频率时，子的固有振动频率时，产生共振。这时距离产生共振。这时距离x与与加速度不存在比例关系。加速度不存在比例关系。如果振动频率再进一步如果振动频率再进一步提高重物就停止振动，提高重物就停止振动，呈现相对静止状态。只呈现相对静止状态。只有位移。有位移。41相位调制光纤加速度传感器相位调制光纤加速度传感器42 让让加加速速度度计计的的外外壳壳以以加加速速度度a垂垂直直向向上上运运动动，那那么么在在加加速速该该物物体体所所需需的的作作用用力力F

29、的的作作用用下下，上上面面的的一一段段光光纤纤伸伸长长L，下下面面的的光光纤纤则则缩缩短短L。这这一过程可表示为一过程可表示为式中式中A是光纤的横截面积。是光纤的横截面积。T是每根光纤中拉应是每根光纤中拉应力变化的幅度；系数力变化的幅度；系数2是由于存在两根伸长和缩短是由于存在两根伸长和缩短光纤。光纤。E是光纤的杨氏模量。是光纤的杨氏模量。43 光束通过光程光束通过光程光束通过光程光束通过光程L L的相移可用下式表示的相移可用下式表示的相移可用下式表示的相移可用下式表示:44偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉偏振调制型光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应

30、）。第效应（磁光效应）。如果这个磁场是由长直载流导线产生如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：的，根据安培环路定律：偏振调制型光纤电流传感器偏振调制型光纤电流传感器式中：式中：I-I-载流导线中的电流强度；载流导线中的电流强度；R-R-光纤缠绕半径。根据法光纤缠绕半径。根据法拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为：由检测及信号处理后得输出信由检测及信号处理后得输出信号为：号为：V为费尔德常数；为费尔德常数；l为受磁场作为受磁场作用光纤长度，用光纤长度，N为光纤圈数。为光纤圈数。测量范围：测量范围：0-1000A0-1000A45

31、分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有敏感点均分布于一根传感光纤上。目前有两种方式发展比敏感点均分布于一根传感光纤上。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的检测技术为基础的光时域分布式光时域分布式，另一种是以光波长检，另一种是以光波长检测为基础的测为基础的波长域分布式波长域分布式。时域分布式光纤传感器的物理基础是光学时域反射时域分布式光纤传感器的物理基础是光学时域反射技术（技术（Optical Time-domain Reflectometry

32、Optical Time-domain Reflectometry），简称），简称OTDROTDR。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当分布式光纤传感器46 光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的

33、扰动信息。图给出了一种测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。图给出了一种基于后向散射光检测的基于后向散射光检测的OTDROTDR原理图。原理图。基于后向散射光检测的基于后向散射光检测的OTDROTDR原理图原理图 脉冲激光光脉冲激光光源源后向散射回波后向散射回波传感光纤传感光纤3dB3dB光电检测与光电检测与信号处理系统信号处理系统47由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过的变化，可以通过OTDROTDR方法独立地探测出来，而不受其方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响，因此可以采用他点散射信号改变的影响，因此可

34、以采用OTDROTDR方法实现方法实现对光纤的分布式测量。对光纤的分布式测量。后向散射光检测波形示意图后向散射光检测波形示意图 48*光纤光栅传感器uu光纤光栅传感器光纤光栅传感器(FBG)是利用是利用 Bragg波波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。新型的光纤传感器。光纤光栅工作原理 1 1 1 1 2 2 2 2 nnnn芯层芯层芯层芯层包层包层包层包层 包层折射率包层折射率包层折射率包层折射率 n n n n2 2 2 2芯层折射率芯层折射率芯层折射率芯层折射率 n n n n1 1 1 1感光折射率感光折射率感光折射率感光折射率

35、n n n n 1 1 1 1 2 2 2 2 nnnn芯层芯层芯层芯层包层包层包层包层+1+1+1+1级级级级-1-1-1-1级级级级紫外掩模写入法相位掩模板相位掩模板51光纤布喇格光栅传感原理光纤布喇格光栅传感原理:光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出：这里这里UV是紫外光源波长，是紫外光源波长，是两相干光束之间的是两相干光束之间的夹角。夹角。52由由于于周周期期的的折折射射率率扰扰动动仅仅会会对对很很窄窄的的一一小小段段光光谱谱产产生生影影响响。因因此此，如如果果宽宽带带光光波波在在光光栅栅中中传传播播时时，入入射射光光能能在在相相应应的的频频率率上上被被反反射射回回来来，其其余余的

36、的透透射射光光谱谱则则不不受受影影响响，光光纤纤光光栅栅就就起起到到反反射射镜镜的的作作用用。这这类类调调谐谐波波长长反反射射现现象象首首先先是是由由威威廉廉布布喇喇格格爵爵士士给给出出解解释释的的，因因而而这这种种光光纤纤光光栅栅被被称称为为布布喇喇格格光光纤纤光光栅栅，其其反反射射条条件件被被称称为为布布喇喇格格条条件件。在在BraggBragg光光栅栅中中，反射的中心波长由下式确定：反射的中心波长由下式确定：53 其其中中 n neffeff 是是光光纤纤芯芯区区有有效效折折射射率率。是是光光纤纤光光栅栅的的栅栅距距即即周周期期。只只有有满满足足布布拉拉格格条条件件的的光光波才能被布喇格

37、光栅反射。对上式取微分可得：波才能被布喇格光栅反射。对上式取微分可得：从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光纤光栅的纤光栅的或者或者neff的改变，因而检测光纤光栅中心反射波的改变，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。长的变化，可以获知外界应力的变化。54设设两两列列波波沿沿着着同同一一方方向向传传播播，其其传传播播常常数数分分别别为为0和和1，如如果果满足布喇格相位匹配条件：满足布喇格相位匹配条件：其其中中为为光光栅栅周周期期，则则一一个个波波的的能能量量可可以以耦耦合合到到另另一一个个波中去。波中去。在在

38、反反射射型型滤滤波波器器中中，我我们们假假设设传传播播常常数数为为0的的光光波波从从左左向右传播，如果满足条件：向右传播，如果满足条件：55 则则则则这这这这个个个个光光光光波波波波的的的的能能能能量量量量可可可可以以以以耦耦耦耦合合合合到到到到沿沿沿沿它它它它的的的的反反反反方方方方向向向向传播的具有相同波长的反射光中去。传播的具有相同波长的反射光中去。传播的具有相同波长的反射光中去。传播的具有相同波长的反射光中去。设设设设 0 0=2n=2neffeff/0 0，其其其其中中中中 0 0为为为为输输输输入入入入光光光光的的的的波波波波长长长长，n neffeff为为为为波波波波导导导导或或

39、或或光光光光纤纤纤纤的的的的有有有有效效效效折折折折射射射射率率率率。也也也也就就就就是是是是说说说说，如如如如果果果果:0 0=2n=2neffeff，光波将发生反射，这个波长光波将发生反射，这个波长光波将发生反射，这个波长光波将发生反射，这个波长 0 0就称作布喇格波长。就称作布喇格波长。就称作布喇格波长。就称作布喇格波长。56 光光纤纤光光栅栅的的栅栅距距可可通通过过改改变变写写入入光光栅栅的的两两相相干干紫紫外外光光束束的的相相对对角角度度得得到到调调整整，从而可以制作出不同反射波长的从而可以制作出不同反射波长的BraggBragg光栅。光栅。光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围

40、的应光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅生变化，从而产生光栅生变化，从而产生光栅生变化，从而产生光栅 Bragg Bragg 信号的波长位移信号的波长位移信号的波长位移信号的波长位移 ，通，通，通，通过监测过监测过监测过监测 Bragg Bragg 波长位移情况，即可获得栅周围

41、的应力或波长位移情况，即可获得栅周围的应力或波长位移情况，即可获得栅周围的应力或波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。者应变变化情况。者应变变化情况。者应变变化情况。由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：光栅布拉格反射波长移动，由下式给出：这里这里这里这里 BB是光栅布拉格反射波长，是光栅布拉格反射波长，是光栅布拉格反射波长，是光

42、栅布拉格反射波长，BB为在外界应力作为在外界应力作为在外界应力作为在外界应力作用下光栅布拉格反射波长移动量，用下光栅布拉格反射波长移动量，用下光栅布拉格反射波长移动量，用下光栅布拉格反射波长移动量，是光纤轴向应变，可是光纤轴向应变，可是光纤轴向应变，可是光纤轴向应变，可表示为：表示为：表示为：表示为：58在实际应用中，在实际应用中，是个很小的量，为此引入应变量是个很小的量，为此引入应变量的的10-6，作为光纤光栅度量单位。作为光纤光栅度量单位。59 FBG所具有的多传感器复用能力，使它在所具有的多传感器复用能力，使它在准分布测量、多参数组合测量等方面显现了准分布测量、多参数组合测量等方面显现了

43、非常诱人的前景，因而在复合材料固化监控、非常诱人的前景，因而在复合材料固化监控、大型土建结构内部应变分布及大型电力设备大型土建结构内部应变分布及大型电力设备内部温度分布状态监控等方面具有广泛的应内部温度分布状态监控等方面具有广泛的应用前景。用前景。光连接器光连接器调制解调器调制解调器显示仪表显示仪表计算机计算机 使使用用现现场场控控制制室室内内传输光缆传输光缆连接光缆连接光缆FBGFBG探头探头光纤光栅监测报警系统结构示意图光纤光栅监测报警系统结构示意图61 光纤布喇格光栅解调原理光纤布喇格光栅解调原理 光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面光纤布喇格光栅的解

44、调有多种方法，下面光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍介绍介绍介绍匹配光纤光栅解调法匹配光纤光栅解调法匹配光纤光栅解调法匹配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅检测。匹配光纤光栅检测。匹配光纤光栅检测。匹配光纤光栅检测信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与解调光栅的配置，右图为两光栅的反射光栅与解调光栅的配置，右图为两光栅的反射光栅与解调光栅的配置，右图为两光栅的反射光栅与解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检测到的信号谱及检测到的信号谱及检测到的信号谱及检测到的信号6

45、2 选选用用一一个个与与传传感感光光纤纤光光栅栅 FBGFBG1 1 参参数数相相近近的的光光纤纤光光栅栅 FBGFBG2 2（匹匹配配光光栅栅）作作为为检检测测光光栅栅，使使两两个个光光栅栅的的反反射射谱谱部部分分重重叠叠，即即设设置置合合适适的的偏偏置置传传感感光光纤纤光光栅栅的的输输出出信信号号为为检检测测光光纤纤光光栅栅的的输输入入信信号号。输输出出信信号号、输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。63 当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射谱在一定范围内漂移，如左图所示；解调的反射谱在一定范围

46、内漂移，如左图所示；解调光栅的反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反光栅的反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱射谱输入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应的范围内的光波才可能被反射，重叠部分相对应的范围内的光波才可能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比 64 当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检探测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光强是检测光纤光栅测到的光强是检测光纤光栅 FBG1和匹配光纤和匹配光纤光栅光

47、栅FBG2两个光谱函数的卷积。随着两个光谱函数的卷积。随着 FBG1上上的微扰，在的微扰，在 FBG2的反射谱中可检测到相对应的反射谱中可检测到相对应的一定光强度的光信号。的一定光强度的光信号。65F-PF-P腔波长滤波解调原理腔波长滤波解调原理 法法法法布布布布里里里里珀珀珀珀罗罗罗罗腔腔腔腔(F-P(F-P(F-P(F-P腔腔腔腔)的的的的光光光光学学学学原原原原理理理理是是是是多多多多光光光光束束束束干干干干涉涉涉涉，在在在在一一一一定定定定波波波波长长长长范范范范围围围围内内内内，若若若若以以以以平平平平行行行行光光光光入入入入射射射射到到到到F-PF-PF-PF-P腔腔腔腔,则则则则

48、只只只只有有有有满满满满足足足足相相相相干干干干条条条条件件件件的的的的某某某某些些些些特特特特定定定定波波波波长长长长产产产产生生生生相相相相干干干干极极极极大大大大，原原原原理理理理如如如如图图图图1 1 1 1所所所所示示示示,由由由由于于于于光光光光的的的的入入入入射射射射产产产产生生生生了了了了多多多多个个个个反反反反射射射射光光光光束束束束1 1 1 1，2 2 2 2，3 3 3 3，.和和和和多多多多个个个个透透透透射光束，射光束，射光束，射光束，.，其透射光强其透射光强其透射光强其透射光强:其中其中为相邻两光束相位差为相邻两光束相位差 66当相位差=2k(k=1,2,3.)时

49、，入射光完全透射，透射光最强。因此解调装置多采用调谐腔长的方法，在透射光强达到最大值时可求出入射波长。67调制解调器工作原理简图调制解调器工作原理简图68uu光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶光纤光栅分布传感技术是先进传感技术发展的新阶段，它满足了现代结构监测的高精度、远距离、分段，它满足了现代结构监测的高精度、远距离、分段，它满足了现代结构监测的高精度、远距离、分段，它满足了现代结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求。布式和长期性的技术要求。布式和长期性的技术要求。布式和长期性的技术

50、要求。光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力强、集传感与传输于一体、易于制作和埋入等优点，强、集传感与传输于一体、易于制作和埋入等优点，而且光栅具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、而且光栅具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定位的优点。位的优点。69uu特特特特别别别别是是是是它它它它可可可可实实实实现现现现分分分分布布布布传传传传感感感感，即即即即在在在在一一一一根根根根光光光光纤纤纤纤上上上上根根根根据据据据应应应应用用用用要要要要求求求求刻刻刻刻写写