光波长调制传感器
调制型光纤传感器的工作原理
调制型光纤传感器的工作原理调制型光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
光纤传输是调制型光纤传感器的基础。
光纤是一种具有非常低损耗的传输介质，其内部由一个或多个纤维芯和包围在外的包层组成。
通过光纤，光信号可以在纤芯中以全内反射的方式进行传输。
光纤的纤径一般非常小，通常为几个微米至几十个微米，因此可以方便地安装在不同的环境中。
光调制是调制型光纤传感器的关键步骤。
光调制是指通过改变光信号的某些特性来实现对外界物理量的测量。
常用的光调制方式有幅度调制、相位调制和频率调制等。
其中，幅度调制是最常用的方式，它通过改变光信号的强度来传递传感器所测量的物理量信息。
相位调制则是通过改变光信号的相位来传递信息，频率调制则是通过改变光信号的频率来传递信息。
这些调制方式可以根据具体的应用需求来选择。
光检测是调制型光纤传感器的最后一步。
光检测是指通过光电探测器将调制后的光信号转换为电信号，以便进一步处理和分析。
常用的光电探测器有光电二极管（PD）和光电倍增管（PMT）等。
光电探测器可以将光信号的强度、相位或频率等信息转换为电流或电压信号，进而实现对外界物理量的测量。
调制型光纤传感器的工作原理可以通过一个简单的温度测量实例来说明。
假设我们需要测量一个物体的温度，可以将一个光纤传感器安装在物体表面附近。
当物体的温度发生变化时，光纤传感器会受到温度的影响而发生形变，从而改变光纤中的传输特性。
例如，温度升高会导致光纤的折射率发生改变，进而改变光信号的传输速度。
通过对这种速度变化进行测量和分析，就可以得到物体的温度信息。
调制型光纤传感器通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
通过合理选择光调制方式和光电探测器，可以实现对各种物理量的测量，例如温度、压力、形变等。
FBG温度传感器(简单设计)
FBG温度传感器——波长调制
1、基本原理
短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅（FBG）是一种典型的波长调制型光纤传感器这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。
其结构如图所示
基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感
信号，其数学表达式为错误！未找到引用源。
=2n eff A
错误！未找到引用源。
为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。
引起光栅布拉格波长飘移的外界因素如温度、应力等会引起光栅周期A 和纤芯有效折射率的改变。
其中光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程
其中Δλ是反射波长的变化而λo 为初始的反射波长。
2、传感器结构设计
FBG温度传感器的基本构造如下图所示
光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。
光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，光纤光栅反射波长的移动与温度的变化成线性关系，通过解调器测量光纤光栅反射波长的移动,便可确定环境温度T。
由于光纤布拉格光栅周期和纤芯的有效折射率会同时受到应变和温度变化的影响。
当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。
即需要对光纤光栅传感部分进行封装，保证传感部分不受到外界应力的影响。
光纤传感器的基本原理
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
• 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中
多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
光纤传感器
光纤传感器的基本原r) 是光导纤维的简称，光纤的主要成份为二氧化硅，由折射较高 的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约0.1 mm 左右的细玻璃丝， 把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外 部扰动的实践，在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时，会引起光纤内部 传输光波参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术 。 光纤对许多外界参数有一定的敏感效应。研究光纤传感原理就是研究如何应用光纤的 这些效应，研究光在调制区内与外界被测参数的相互作用，实现对外界被测参数的“ 传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心。
示例
珏光琥珀™（ Copal）系列光纤光栅温度传感器是珏光科技自主研发的光纤传感器，产 品利用紫外光通过掩膜光栅照射到裸光纤上，引起裸光纤纤芯折射率的永久性变化， 形成布拉格光栅；在受到温度或应力变化时，光栅的栅距同时发生变化，从而精确地 测量温度或应变。它是珏光科技根据不同使用场合并采用不同封装方法研发的系列产 品。
黑磷光纤传感器
倾斜光纤光栅是一种新型的光纤器件，大角度倾斜光栅结构能够将纤芯光学基模前向 耦合到光纤包层，在特定的波长形成一系列离散的谐振峰，光的耦合将随着外界媒质 折射率等的变化而变化。因此，倾斜光纤光栅是非常适合作为传感应用的光子器件。 黑磷是近年来广受关注的一种具有直接带隙二维半导体材料，具有独特的二维平面结 构、超高的比表面积、众多的活性位点，以及从可见到红外广阔的光谱响应范围，在 光学检测方面展现出巨大的应用前景 将黑磷纳米片高效地附着在光纤器件表面，不同厚度的黑磷纳米层展现出对光信号独 特的调制性。利用这一特性，该黑磷光纤传感器能够在亚ppb浓度水平检测到重金属铅 离子，具有超高的灵敏度、超低的检测限，以及广阔的浓度检测范围 黑磷是一种具有直接带隙 维半导体材料，具有独特的三维平面结构、超高比表面积、 众多的活性位点。而倾斜光纤光栅是一种新的光纤器件，角度倾斜光栅结构能够将纤 芯光学艇模前向耦合剑光纤包层，在特定的波K形成 系列离敞的谐振峰，光的耦合将 随着外界媒质折射率等的变化而变化，因此倾斜光纤光栅非常适合作为传感应用的光 子器件研究人员将黑磷和倾斜光纤光栅相结合，通过‘种原位层叠修饰技术，将黑磷 纳米片高效地附着任光纤器件表面， 同厚艘的黑磷纳米层腱黑磷倾斜光纤光栅器件现 出对光信号独特的调制性，借助于这种调制性和倾斜光栅独特的光学结构，
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
光纤传感器简介光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。
光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。
其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
光纤传感器的分类光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。
（1）功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑，灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高。
典型应用：光纤陀螺、光纤水听器等。
（2）非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。
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。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传。
光纤传感器基本原理3
= ne。
对于KDP类晶体，晶体折射率的变化∆n与电场E的关 系由下式给定
3 ∆n = n0 γ 63 • E
两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为
3 3 ∆L = ∆n • l = n0 γ 63 • E • l = n0 γ 63U
当折射率变化所引起的相位变化为Π时，则称此电压为 半波电压Uλ/2，并有
3 U λ 2 = λ0 / 2n0 γ 63
1-BGO调制器晶体；2-1/4 波长片；3-检偏器； 4-电压传感器测头；5-多模光导纤维；6-光检测器； 7-运算器；8-输出信号；9-光源；10-光耦合器； 11-起偏器
ϕ π
输出的光程为
I = I 0 sin 2 ( + ) 2 4
式中,φ是晶体中两正交平面偏振光的相位差：
π U 2 I = I 0 sin 2 [ ( ) ] 2 U
λ 2
3.法拉第效应 法拉第效应 法拉第效应(磁致旋光效应):物质在磁场的作用下可以使 穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转的现象。 光矢量旋转的角度： = V ∫ 0l Hdl ϕ
式中，V是物质的费尔德常数， l l是物质中的光程，H是磁场强度。 H
∆ = (no − ne )l = kpl 2π ϕ= ∆ = 2πkpl / λ0 λ0
七对光纤和光电器件的要求
光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特 性的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。光纤传感器的灵敏度 主要决定于系统中的内部噪声电平，因此在光纤传感器里分离出 噪声源，并设法降低它，对提高灵敏度是有实际好处的。 光纤多普勒系统光纤系统的主要噪声源是背向瑞利散射噪 声和偏振噪声。瑞利散射从根本上讲是不能消除的。瑞利散射 的大小与传输的模、纤芯尺寸无关，而与波长的四次方成反比， 因此，选用长工作波长是有利的。偏振噪声的出现，是由于不 同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。保持单模光 纤偏振状态的稳定十分重要，这样做的结果，可使灵敏度提高 几个数量级。 光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、 输出的偏振相干性要好、寿命长。在目前研制的各类传感器中， 用He-Ne气体激光器做光源的比较多。但从发展看，体积小、性 能可靠的半导体激光器应具有宽广的应用前景。
lctr6-2 波长调制型 (2)资料
智能结构对传感器的特殊要求
• ①微型化：保证传感器的埋入不会影响材料的 性能（或影响很小）
• ②高可靠：确保智能材料在整个“服役期”能 正常有效地运行
• ③网络化：以实现多路复用或空间分布式测量 使传感系统可获取较大空间范围内的传感信 息
光纤传感器
Min’s Fiber Optic Sensiber Optic Sensors Lecture 6-2
4.1 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
与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
Min’s Fiber Optic Sensors
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 入射光纤
• 光源和频谱分析器的性能系统调的制稳器定性和分被辨测参率量
光源：白炽灯、汞出弧射灯光纤 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性分: 比光值计运算，补偿系统误差
主要应用-医学、化学等领域。
• 人体血气信的号分处理析、pH输值出检测 • 指示剂溶液浓度的化学分析 • 磷光和荧光现象分析 • 黑体辐射分析 • 法布里一帕罗滤光器等
Min’s Fiber Optic Sensors
光纤pH值传感器
基本原理
• 化学指示剂对被测溶液的颜色反应
探头结构
• 指示剂的透明度
红色区域对pH值非常敏感 在绿色区域却与pH值无关
波长调制型光纤传感器
• 黑体探测不需要光源。 • 黑体及光的收集端处于高温状态，应采 用耐高温材料（陶瓷黑体、蓝宝石光 纤）。
5 半导体激光二极管LD的光电特性是受温 度影响的，实际中需要稳定的光源，则 在设计LD驱动电路时应采用什么方法 以获得稳定的输出功率？ 作业： 1. P73 2.2 试阐释光纤强度调制型传感器 的主要问题及可能的解决途径。 2 在强度调制传感器中，光源强度的稳定 非常重要，请简要说明影响LED光源稳 定的因素及各种稳定光源强度措施的原 理。
∆S =
λ
2 sin ϕ
传感器上的光电检测器产生一个交流信号, 多普勒频率∆f与测量速度v的公式为
v 2 v sin ϕ ∆f = = ∆S λ
v—体辐射探测技术
• 黑体是指能完全吸收入射辐射，并具有最大发 射的物体。 • 所有物体受热时均发出一定的热辐射，辐射量 与物体的温度及其材料的辐射系数有关。理想 透明材料的辐射系数为0。黑体的辐射能量与 温度和波长有关。光纤高温探头在一定的波长 范围内，探测黑体辐射的能量，决定黑体（被 测）的温度。
• 多普勒激光测量仪的光学系统如图：
• 多普勒激光测量仪是采用非接触传感器测量钢 坯速度，向板坯表面发射两束相交的激光,产生 光干涉现象，干涉条纹的移动速度与物体通过 两束激光的交点的速度成正比。通过接收光谱, 记录干涉条纹的移动速度,就可以精确地确定钢 坯的移动速度。
条纹间隔∆S是一个系统常数,它依赖于激光 的波长λ和两条激光束的夹角2ϕ。
第八讲 波长调制型光纤传感器
波长调制传感器原理 对于光纤传感器而言，波长调制属于外调 制，光纤只起传输光信号的作用，而不 是敏感元件。 被测量与敏感元件作用，使光电波长（频 率）发生改变，通过测量光的波长变化 来确定被测量，使用这种方法的传感器 称为波长调制型传感器。
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1109020225 周传兴
传感器结构原理
图1-1 基于细芯光纤的全光纤M-Z干涉仪结构示意图
光在SSMF内传播时只存在基模一个模式，光的能量基本被约束在芯层内。
由于光纤的芯层直径是决定光传输模式状态的一个重要参数，不同芯径的光纤对光的约束能力不同，因此当光传播到SSMF和TCF交界面的时候，光传输的截止条件发生改变，一部分光被激发为高阶模式的光，和芯层模式光一起，在TCF内传播。
到达另一个SSMF和TCF交界面的时候，一部分被激发光重新耦合回芯层，并与芯层的基模光发生干涉，由于不同模式光的有效折射率不同，因此干涉的两束光具有不同的光程差，因此干涉强度随着波长有强弱变化的关系。
通过探测干涉条纹某个干涉峰的波长信息，就能找到其变化与环境参量变化之间的关系。
奇数阶模式既存在芯层的分量又存在包层的分量。
在SSMF中，能量几乎都集中在包层内，而在TCF中，包层的分量被压缩到很小的程度，能量几乎都集中到芯层。
这决定了在第二段SSMF芯层内发生干涉时，高阶模分量的能量被大大提升，发生干涉的两束光的能量差被拉近，因此，得到的干涉条纹将有比较好的对比度，很可能得到很深的干涉极小点。
TCF中高阶模式这种能量分布情况，会减少基模和高阶模式的有效射射率差，因此得到干涉条纹的自由光谱范围就会比较大，因此得到清晰，单一的干涉图样，能够作为一种简单的带阻滤波器。
另外，在该传感器的应用中，也会有较大的工作范围。
在图1-1所示的第二段SSMF处获得的干涉条纹，其干涉峰的位置可以由式1-1得出：
（1-1）
式中，是光纤芯层的有效折射率，和光的波长有关；是第j阶包层模式的有效折射率，它不仅和入射光波长有关，而且其受到外界折射率影响；L是插入的TCF的长度；
干涉峰的中心波长。
式子表示了当芯层光和包层光传播了距离L以后，引入的光程差为干涉峰中心波长一半的奇数倍。
对式1-1做微分计算，就可以得到中心波长对于外界环境折射率和温度变化的响应：
式中，是光纤芯层的有效折射率；是包层模式的有效折射率；为芯
层和包层的有效折射率的差。
我们用松香把光纤封装在带细槽的铝制模块内，如上囤所示．这种结构既能起到保护作用，又能灌入溶液，或者是浸入不同折射率的溶液中，以方便折射宰传感实验的进行。
蔗糖溶液的浓度和折射率成线性关系。
因此，我们根据蔗糖溶液浓度和折射率的转换关系(如表1-1所示)，配制了12份样本溶液，用于传感器折射率响应的测试。
表1-1 蔗糖溶液旅度及折射率换算表
结语
这种干涉仪通过不同芯径光纤的交界面实现高阶模式的激发，然后再用同样的结构使具有不同相位的模式之间发生干涉。
其干涉条纹具有相当高的对比度，体现了很大的作为高性能带通滤波器应用的潜力。
同时，参与干涉的高阶模式光的有效折射率受到外界介质折射率的影响，因此这种结构也有作为高灵敏度折射率传感器应用的潜力。