光纤传感技术与应用复习提纲2015
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（3）重量轻、体积小、形状可变；
（4）测量对像广泛；力学、物理、核物理、航空、航天。
（5）对被测介质影响小；
（6）便于复用，便于成网；
（7）成本低
1．2振幅调制传感型光纤传感器
（1）什么是：利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的光纤传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。
改变微弯状态
见书，N圈单模光纤 （1-3-7）
数值举例： ， ， ， ，
1．3．4光纤Fabry-Perot干涉仪
2．基本原理
光学F-P腔工作原理如图所示
光学F-P干涉仪原理示意图
两个相应严格平行的光学反射膜，构成光学谐振腔。
（1-3-9）
（1-3-10）
光学相位 （1-3-11）
本征型光纤F-P传感器：两端面镀膜的一段光纤做为传感器的主体；
1．5波长调制型光纤传感器
1．5．3光纤布拉格光栅传感原理
原理：光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期 和反向耦合的有效折射率 ，可以引起这两个量变化的任何变化都可引起布拉格波长的漂移。
可以引起布拉格波长漂移的因素有——应力、应变、温度。拉伸或挤压可以引起光栅的周期 的变化，而光纤材料本身的光弹效应可以想起折射率 的变化（温度变化也可想起类似变化）。
本征型光纤法-珀传感器原理图
非本征型光纤F-P传感器：两根光纤对在一起，单端面镀膜，隔开一定间距封装在一固定的管道内。
非本征wk.baidu.com光纤法-珀传感器原理图
改进型非本征法-珀传感器原理图
1．3．6白光干涉型光纤传感器
解决问题：白光光纤传感器，利用了白光零级干涉条纹可见的特点，可以进行绝对变化的测量。抗干扰能力强，解决了相位型光纤传感器，只能测量相对变化量的问题。
改变耦合条件
（2）用来改变光纤中光强的办法改变吸收特性
改变折射率分布
1．2．1光纤微弯传感器
原理：利用微弯损耗的变化，来探测外界物理量的变化。
微弯损耗：多模光纤微弯时，部分芯模能量转化为包层模能量。通过测量芯模能量或包层能量的变化来测量位移或振动等参量。
光纤微弯传感器原理图
1．2．2光纤受抑全内反射传感器
光纤传感器分类
传光型：利用其他敏感元件测得物理量，由光纤进行数据传输。特点是充分利用现有传感器，便于推广应用。
散射型
干涉型（相位型）
按传感原理分类：偏振型
微弯型
荧光型
1．1．2光纤传感器的特点
（1）抗电磁干扰、绝缘、耐腐蚀；适用于强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境下使用。
（2）灵敏度高；长光纤可以灵敏地探测光波的干涉，适用于测量水声、加速度、位移、温度、磁场。
④体积小、能埋入工程材料。
⑤线性范围大，可测高温（1000℃）
⑥化学传感器：可以实现对液体折射率和浓度的实时测量。基于外表面涂有特殊塑料履层（引起折射率的变化），实现对相对湿度、有毒化学武器的测量。
⑦液位传感器：谐振波长与侵入液体中的光栅长度有关。
⑧多参数测量：多个损耗峰可用来对多个参量进行测量。
光纤柜位计
应力变化想起光纤波长漂移如下式
（1-5-1）
式中 为光纤本身的弹性应变， 表示弹光效应。
1．5．5长周期光纤光栅在传感领域的应用
长周期光纤光栅特点①无后向射，不需隔离器，测量精度较高。
②满足相位匹配条件的模是纤芯基模和包层模，因此对外界环境变化非常敏感，具有比布拉格光栅更高的灵敏度。
③温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度、折射率都很敏感。
长周期光纤光栅的缺点：交叉敏感（温度、应变、折射率）
解决方法：采用多个传感器组合。
1．5．6光纤光栅折射率传感技术
共振模只在纤芯中传播，包层中的渐逝波场很小，不受外界折射率的影响。为了提高FBG外界对外界的灵敏度，需要加大渐逝波场。
方法：腐蚀抛磨一部分或全部包层。
1．FBG折射率传感器原理
图1-5-6FBG折射率传感原理示意图
《光纤传感技术与应用》复习提纲
第一章光纤传感器
1．1．1光纤传感器的定义及分类
传像
光纤的作用
传感器
光振幅
相位
光纤传感器的基本原理偏振态
波长
温度
压力
光纤传感器可以测量的物理量磁场、电场
位移
转动
用方框图表示光纤传感原理示意图（图1-1-1光纤传感原理示意图）
传感型：利用外界因素改变光纤中光的强度（振幅）、相位、偏振态或波长（频率），从而对外界因素进行讲师和数据传输的，称为传感型（功功能型光纤传感器。特点是传感合一（信息获取和传输都在光纤中完成。
一、透射式
原理：全内反射
缺点：需要精密的机械调整和固定装置，不利于现场环境使用。
透射式光纤受抑全内反射传感器简图
二、反射式
原理：也可以利用外界介质折射率变化，改变临界全反射条件，使反射光强变弱，从而测量外界物理量变化。
特点：这种结构简单，无机械固定装置，稳定性好
反射式光纤受抑全内反射传感器简图
1．2．3光纤辐射传感器
原理：X射线、γ射线会使光纤的吸收损耗增加，输出端功率下降。
1．3相位调制传感型光纤传感器
原理：利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量。
1．3．2光纤M-Z干涉仪和光纤Michelson干涉仪
光纤M-Z干涉仪原理图
光纤Michelson干涉仪原理图
当外界（温度、压力等）因素引起光纤长度L的机械变形和折射率n的变化，均可以引起一个臂中的相位发生变化，如（1-3-5）式
FBG中布拉格波长
（1-5-2）
为芯部朋效折射率。导模能量集中在纤芯中， 实际上与包层外的外界折射率无关。将光栅所在区域包层减小到一定程度，使渐逝波能够与外界环境有相长的移动，就可以制成FBG折射率传感器。
1．6光纤荧光温度传感器
1．6．1光纤荧光温度传原理
原理：荧光材料的温度敏感性（荧光寿命，荧光光强比）
式中 光纤的传播常数， 光纤长度， 光纤折射率， 光纤直径。
1．3．3萨格纳克（Sagnac）干涉仪
光纤Sagnac干涉仪原理图
原理：在由同一光纤绕成的光纤圈中沿相反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。通过涉效应进行检测。
理论：Geoge Sagnac效应（1913年）发表
见书 （1-3-6）
1．4偏振态调制型光纤传感器
1．4．2光纤偏振干涉仪
单光纤偏振干涉仪
原理：先用1/4 波振片将线偏振光变成圆偏振光，正交的两个偏振光在双折射单模光纤中均匀激励，如果相移不同，则出射的合成偏振光可以在左旋--45度线偏--右旋--135度线偏之间变化。（利用学过的电光调制知识，可知输出光光强的投影强度为）
（4）测量对像广泛；力学、物理、核物理、航空、航天。
（5）对被测介质影响小；
（6）便于复用，便于成网；
（7）成本低
1．2振幅调制传感型光纤传感器
（1）什么是：利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的光纤传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。
改变微弯状态
见书，N圈单模光纤 （1-3-7）
数值举例： ， ， ， ，
1．3．4光纤Fabry-Perot干涉仪
2．基本原理
光学F-P腔工作原理如图所示
光学F-P干涉仪原理示意图
两个相应严格平行的光学反射膜，构成光学谐振腔。
（1-3-9）
（1-3-10）
光学相位 （1-3-11）
本征型光纤F-P传感器：两端面镀膜的一段光纤做为传感器的主体；
1．5波长调制型光纤传感器
1．5．3光纤布拉格光栅传感原理
原理：光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期 和反向耦合的有效折射率 ，可以引起这两个量变化的任何变化都可引起布拉格波长的漂移。
可以引起布拉格波长漂移的因素有——应力、应变、温度。拉伸或挤压可以引起光栅的周期 的变化，而光纤材料本身的光弹效应可以想起折射率 的变化（温度变化也可想起类似变化）。
本征型光纤法-珀传感器原理图
非本征型光纤F-P传感器：两根光纤对在一起，单端面镀膜，隔开一定间距封装在一固定的管道内。
非本征wk.baidu.com光纤法-珀传感器原理图
改进型非本征法-珀传感器原理图
1．3．6白光干涉型光纤传感器
解决问题：白光光纤传感器，利用了白光零级干涉条纹可见的特点，可以进行绝对变化的测量。抗干扰能力强，解决了相位型光纤传感器，只能测量相对变化量的问题。
改变耦合条件
（2）用来改变光纤中光强的办法改变吸收特性
改变折射率分布
1．2．1光纤微弯传感器
原理：利用微弯损耗的变化，来探测外界物理量的变化。
微弯损耗：多模光纤微弯时，部分芯模能量转化为包层模能量。通过测量芯模能量或包层能量的变化来测量位移或振动等参量。
光纤微弯传感器原理图
1．2．2光纤受抑全内反射传感器
光纤传感器分类
传光型：利用其他敏感元件测得物理量，由光纤进行数据传输。特点是充分利用现有传感器，便于推广应用。
散射型
干涉型（相位型）
按传感原理分类：偏振型
微弯型
荧光型
1．1．2光纤传感器的特点
（1）抗电磁干扰、绝缘、耐腐蚀；适用于强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境下使用。
（2）灵敏度高；长光纤可以灵敏地探测光波的干涉，适用于测量水声、加速度、位移、温度、磁场。
④体积小、能埋入工程材料。
⑤线性范围大，可测高温（1000℃）
⑥化学传感器：可以实现对液体折射率和浓度的实时测量。基于外表面涂有特殊塑料履层（引起折射率的变化），实现对相对湿度、有毒化学武器的测量。
⑦液位传感器：谐振波长与侵入液体中的光栅长度有关。
⑧多参数测量：多个损耗峰可用来对多个参量进行测量。
光纤柜位计
应力变化想起光纤波长漂移如下式
（1-5-1）
式中 为光纤本身的弹性应变， 表示弹光效应。
1．5．5长周期光纤光栅在传感领域的应用
长周期光纤光栅特点①无后向射，不需隔离器，测量精度较高。
②满足相位匹配条件的模是纤芯基模和包层模，因此对外界环境变化非常敏感，具有比布拉格光栅更高的灵敏度。
③温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度、折射率都很敏感。
长周期光纤光栅的缺点：交叉敏感（温度、应变、折射率）
解决方法：采用多个传感器组合。
1．5．6光纤光栅折射率传感技术
共振模只在纤芯中传播，包层中的渐逝波场很小，不受外界折射率的影响。为了提高FBG外界对外界的灵敏度，需要加大渐逝波场。
方法：腐蚀抛磨一部分或全部包层。
1．FBG折射率传感器原理
图1-5-6FBG折射率传感原理示意图
《光纤传感技术与应用》复习提纲
第一章光纤传感器
1．1．1光纤传感器的定义及分类
传像
光纤的作用
传感器
光振幅
相位
光纤传感器的基本原理偏振态
波长
温度
压力
光纤传感器可以测量的物理量磁场、电场
位移
转动
用方框图表示光纤传感原理示意图（图1-1-1光纤传感原理示意图）
传感型：利用外界因素改变光纤中光的强度（振幅）、相位、偏振态或波长（频率），从而对外界因素进行讲师和数据传输的，称为传感型（功功能型光纤传感器。特点是传感合一（信息获取和传输都在光纤中完成。
一、透射式
原理：全内反射
缺点：需要精密的机械调整和固定装置，不利于现场环境使用。
透射式光纤受抑全内反射传感器简图
二、反射式
原理：也可以利用外界介质折射率变化，改变临界全反射条件，使反射光强变弱，从而测量外界物理量变化。
特点：这种结构简单，无机械固定装置，稳定性好
反射式光纤受抑全内反射传感器简图
1．2．3光纤辐射传感器
原理：X射线、γ射线会使光纤的吸收损耗增加，输出端功率下降。
1．3相位调制传感型光纤传感器
原理：利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量。
1．3．2光纤M-Z干涉仪和光纤Michelson干涉仪
光纤M-Z干涉仪原理图
光纤Michelson干涉仪原理图
当外界（温度、压力等）因素引起光纤长度L的机械变形和折射率n的变化，均可以引起一个臂中的相位发生变化，如（1-3-5）式
FBG中布拉格波长
（1-5-2）
为芯部朋效折射率。导模能量集中在纤芯中， 实际上与包层外的外界折射率无关。将光栅所在区域包层减小到一定程度，使渐逝波能够与外界环境有相长的移动，就可以制成FBG折射率传感器。
1．6光纤荧光温度传感器
1．6．1光纤荧光温度传原理
原理：荧光材料的温度敏感性（荧光寿命，荧光光强比）
式中 光纤的传播常数， 光纤长度， 光纤折射率， 光纤直径。
1．3．3萨格纳克（Sagnac）干涉仪
光纤Sagnac干涉仪原理图
原理：在由同一光纤绕成的光纤圈中沿相反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。通过涉效应进行检测。
理论：Geoge Sagnac效应（1913年）发表
见书 （1-3-6）
1．4偏振态调制型光纤传感器
1．4．2光纤偏振干涉仪
单光纤偏振干涉仪
原理：先用1/4 波振片将线偏振光变成圆偏振光，正交的两个偏振光在双折射单模光纤中均匀激励，如果相移不同，则出射的合成偏振光可以在左旋--45度线偏--右旋--135度线偏之间变化。（利用学过的电光调制知识，可知输出光光强的投影强度为）