波长调制型光纤传感器共39页文档
光纤传感器基本原理推选PPT资料
E 0 (,T ) C 1 3 (e c 2/T 1 ) 1
E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱 辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
光纤黑体探测技术就是以黑体做探头，利用光纤传输 热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．灵敏度高，体积小， 探头可以做到0.1mm。
压强P的关系可表达为
对于双轴晶体，主折射率
；
E 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。
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。
其工作原理是基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变。
在物目体前 的研热制辐的射各能类量传随感温器度中提，高用而增He加-N。e气体激光器式做光中源,的φ比是较多晶。体中两正交平面偏振光的相位差：
在波长(颜色)调制光纤探头中，光纤只是简单地
2n U/(纵)向 E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
3
保法持拉单 第模旋光转纤是偏非振互状易态的的光稳学定过十程分：重平要面，偏这振样光做一的次结通果过，法可拉使第灵材敏料度转提过高角几度个θ，数而量沿级相。反方向0返回4 时将1再旋转θ0角。
n U• l (横向 ) 其 对例工于如作理 ，原 想对理 “于是 黑人基 体体于 ”血稀 辐气土 射的磷源分光 发析体 射，的 的pH磷 光值光 谱检光 能测谱 量，随 可指温 用示度 热剂变 辐溶化 射液而 的浓改 基度变 本的。 定化律学之分一析普，朗磷克光(和Pla荧nc光k)现公象式分表0析3述，：c黑体辐射分析，法布里-珀罗滤光器等。 0 d
光纤光栅温度传感器 报告
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》课程作业报告提交时间：2011年10月27 日1 研究背景 （执笔人： ）被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。
光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。
基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为：2B eff n λ=Λ式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。
这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势：（1）抗干扰能力强。
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。
这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。
（2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。
（3）测量结果具有良好的重复性。
（4）便于构成各种形式的光纤传感网络。
（5）可用于外界参量的绝对测量。
（6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。
（7）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。
由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
但是它也存在一些不足之处。
因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。
光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。
相位调制型光纤传感器PPT优秀课件
它与一般法布里—珀罗干涉仪的区别在于以光纤
光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位
代替以传感器控制反射镜移动实现调相。
Fabry-Perot干涉仪
➢
反射率越大，干涉光强变化越明显，分辨
率越高。它是能用于现代科学的最灵敏的
位移测量装置之一。
谢谢！
个人观点供参考，欢迎讨论
光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：
8A
k0l
l为 两 相 干 光 的 光 程 差
0c
Sagnac干涉仪
Ø通过检测干涉条纹的变化，就知道旋转速度
萨格纳克效应是目前许多惯性导航系统所用的环
形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。
Sagnac干涉仪实际应用：
Ø光纤陀螺仪
机械应
力作用
➢
应力应变效应
✓
应变效应：光纤长度变化
✓
光弹效应：光纤纤芯折射率变化
✓
泊松效应：光纤纤芯直径变化
➢
温度应变效应：光纤长度变化以及折射率
变化
温度
应力应变效应
应变效应
光纤长度变化引起
的相位延迟
光弹效应
感应折射率变化引
起的相位延迟
泊松效应
光纤的半径改变
引起的相位延迟
实现纵向、径向应变最简便的方法
❖ 振动方向相同
❖ 频率相同
❖ 两个补充条件
❖ 振幅差不悬殊
❖ 光程差要小于波列长度
光纤干涉仪的一般系统结构
L—激光器；P1—分束器；P2—耦合器；D—检测器
典型干涉测量仪与光纤干涉传感器
迈克尔逊(Michelson)干涉仪
常
用
干
涉
光纤传感器的波长反馈调制技术研究
光纤传感器的波长反馈调制技术研究随着科技不断进步，光纤传感技术的应用越来越广泛。
而光纤传感器的波长反馈调制技术是其中的一种重要技术。
这种技术可以让光纤传感器的测量精度和稳定性得到大幅提升，使其在诸多领域中的应用更为广泛。
一、光纤传感器的波长反馈调制技术是什么光纤传感器是一种通过光学原理来进行测量的传感器。
而波长反馈调制技术是其的一种重要的光学技术。
这种技术一般会采用腔内调制的方法，在腔内加入一个能够调制光场的光学元件，再通过对该元件的控制来实现对光线的反馈调制。
通过改变光线的频率和相位，可以实现对光信号的控制和调制，从而达到测量目的。
二、光纤传感器的波长反馈调制技术的特点波长反馈调制技术有以下几个特点：1. 测量精度高。
光纤传感器的波长反馈调制技术可以精确控制光线的频率和相位，从而能够得到更加准确的测量结果。
2. 抗干扰性强。
由于波长反馈调制技术可以通过调整光信号的相位来消除不同噪声，并且其反馈控制具有强烈的自适应性，因此其对外部干扰的抵抗能力比较强。
3. 占用空间小。
波长反馈调制技术的光学元件比较小巧，因此可以实现对光信号的调制而不占用过多的空间。
4. 对环境的适应性强。
经过适当的设计，不同的波长反馈调制技术可以适应不同的环境条件，例如高温、高湿度等。
三、波长反馈调制技术在光纤传感器中的应用波长反馈调制技术在光纤传感器中的应用非常广泛，包括以下几个方面：1. 表面形貌检测。
对于一些需要高精度表面形貌检测的场合，如半导体芯片的表面形貌检测等，波长反馈调制技术可以根据表面的不同形貌来改变光线的反馈，从而实现精准的表面检测。
2. 光学微力测量。
微力测量是一种非常基础但又非常重要的测量技术。
利用波长反馈调制技术可以调制光信号的强度，从而可以实现力的测量，例如对小型细胞的轻微刺激测量等。
3. 环境检测。
在环境监测与保护、自然灾害预报等领域，波长反馈调制技术可以根据环境的不同变化来对光线的反馈进行调制，从而实现精准的环境变化检测。
第3章 相位调制型光纤传感器
相位调制型
5.3 特点
信 号 Is t 出 射 光 波
入 射 光 波
相位调制区
参考信道
特点：
干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、
温度（10-8℃） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏
相位调制型
相位调制型
2
当A1=A2时，K=1； 而A1与A2相差 越多，K值越小
相位调制型
*相干条件（产生干涉的条件）
在观察时间内，许多波列都通过P点 原子前后发出的两列光波相互独立
没
有固定的位相关系a 2a a cos )d I Id (a 两个发光原子同时发出的波列形成的干涉 a a 2a a / cos d 图样只能在极短的时间内存在 如果各时刻到达的波列的位相差δ无规则变化，则 接收器只能记录到强度的平均值 1 2 2 cos d 0 I a a I I
原理：2个干涉仪构成
FPPI LED
耦合器 LD AB 耦合器 信号处理
PD
C A’ B’ Michelson干涉仪
相位调制型
5.3.2 光纤干涉仪6－白光干涉
白光干涉的优点与问题
优点：
绝对测量 抗干扰能力强－系统分辨率与光源稳定性、光纤扰动 等无关
问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检
相位调制型
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
Lecture 3
相位调制型
光纤传感器的分类
入射光波 出射光波
入射光波的特征参量：相位
功能型
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。
光纤传感技术课件：强度调制型光纤传感器
强度调制型光纤传感器
2. 透射式光桥补偿结构采用分光棱镜耦合的方法， 将一束 通过传感头的入射光分成两束差动光， 实现对光源光功率和 入射光纤损耗的补偿； 将另一束光耦合进两根接收光纤， 实 现对两根接收光纤损耗和探测器响应度的补偿， 成功地设计 出一种双光路、 双探测器的新型光桥补偿结构， 达到较好的 补偿效果。
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强度调制型光纤传感器
3.2.1
1. 光桥平衡法是基于具有两个输入和两个输出的四端网络传 感头结构， 两个输入端分别接两个相同的发光二极管光源， 两个输出端分别接两个相同的光电探测器， 两个发光二极管 光源采用时分调制或频率划分调制工作方式。 1985年由英国 CulShaw首先提出的光桥补偿结构如图3-2所示。
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强度调制型光纤传感器
图3-5 采用反射式光桥补偿结构的测量精度
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强度调制型光纤传感器
图3-6 采用反射式光桥补偿结构的长期稳定性
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强度调制型光纤传感器
光桥平衡补偿法是保证强度调制型光纤传感系统稳定可靠 工作的有效途径之一。 本节对其进行了较详细的分析， 介绍 了透射式和反射式两种光桥补偿结构。 反射式光桥补偿结构 存在突出优点： 一是采用单光源分时发光的工作方式， 弥补 了双光源发光特性不一致造成的不利影响； 二是传感探头采 用反射式补偿光路， 不仅结构简单、 紧凑， 而且使传感系统 的灵敏度提高了一倍； 三是分时工作的两路光都通过传感探 头部分， 从而系统输出不仅对光源发光功率的波动、 光纤传 输损耗的变化和光电探测器响应度漂移因素进行了补偿， 同 时对传感探头分光棱镜分光比、 光学元件传输损耗的变化也 进行了补偿。
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强度调制型光纤传感器
3. 为了进一步提高系统的稳定性， 简化系统的结构， 减小 传感头的体积， 降低造价， 使系统更趋于实用化， 人们又设 计出了一种反射式光桥补偿结构， 该结构如图3-4所示。
第11讲+光栅调制型光纤传感器
n neff B 2 L eff a Lneff 2 L a L
弹光效应 波导效应
波导效应对纵向应变灵 相 -0.0002 敏度影响较小，作用与 对 弹光效应相反。 常采用低NA，小a光纤
非均匀涂敷对光栅光学性能的影响
• 现象 – 二次涂敷后－反射率随拉伸载荷的增加逐渐下降 – 反射谱也逐渐加宽
•
解释
– 涂敷粗糙、不均匀造成的chirp－非线性随机chirp光栅反射谱 将发生随机展宽对基于波长检测的FBG传感器是一种附加噪声
•
解决方法 – 涂敷材料选择 – 严格控制二次涂敷工艺 会对应力应变传感造成严重影响
边模
•
1993年 K.C.Byron等人用紫外干涉仪在锥形光纤中产生了非均匀周期分布的干涉 条纹，获得了折射率近似线性变化的光纤折射率分布，即线性啁啾光纤光栅。
主模
纤芯 包层
l
r为光栅写入时，距相位模版远端的距离
B 2neff 1 ( r l )2
应用：
• • 利用闪耀光纤光栅的包层模耦合形成的带宽损耗特性，可将其应用于掺铒光 纤放大器的增益平坦。 当光栅法线与光纤轴向倾角较小时，还可将闪耀光栅用作空间模式耦合器。
特征：传输方向相反的两个芯模之间发生耦合，属于反射型带通滤波器 nc ncl
光强
FBG应变传感
外界应力改变FBG波长移位。引起波长移位的原因主要包括三个方面： 光纤弹性形变、光纤的弹光效应以及光纤内部应力引起的波导效应。
B 2neff eff B 2neff 2neff
不同光纤光栅反射/透射谱
•
变迹光纤光栅