光纤传感技术与应用复习提纲.doc

《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 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） 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；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型光纤法-珀传感器原理图改进型非本征法-珀传感器原理图1．3．5 光纤环形腔干涉仪纤环形腔干涉仪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）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）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1-5-6 FBG折射率传感原理示意图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）1．6．2 荧光寿命测温脉冲激发光源的光由光纤传到荧光材料，而荧光材料发出的与温度相关的荧光衰减则由控测器接收，并通过专用的信号分析单元给出荧光寿命参数1．6．3 荧光强度比测温测量不同上能级越迁到同一下能级的荧光强度比，此比值与温度有关。

用光谱分析仪分析分别对应于两个不同高能态辐射的荧光谱1．7 分布式光纤传感器分布式：光纤可沿长度方向连续地传感被测量（温度压力、应力、应变）结构特点：即是传感介质，又是传输介质优点：（1）被测空间范围大（光纤可以很长，连接很远）（2）结构简单，使用方便（有时甚至可以是普通通信光纤）（3）性价比高（成本低）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分布式光纤温度传感器系统按用途分： 分布式光纤压力传感器系统分布式光纤应用/应变传感器系统5．分布式光纤传感器的特征参量空间分辩率（沿光纤长度测量时最小的能分辩空间距离三个分辩率： 时间分辩率（达到被测量的分辩率所需要的时间）被测量分辩率（温度、压力、应力/应变）（能正确测量的程度，信噪比=1）1．7．2 散射型分布式光纤传感器1．拉曼散射分布式光纤传感器利用拉曼散射效应和散射介质温度等参量之间的关系进行传感2．布里渊散射分布式光纤传感器利用布里渊散射和散射介质温度等参量之间的关系进行传感布里渊散射与拉曼散射的区别是（1）散射光传输方向不同（SRS有前向也有后向，而SBS只有后向）（2）频移量不同（频移量比SRS小三个量级，约为10GHz）（3）阈值特性不同（SBS与泵浦激光的谱宽有关，连续光较脉冲光低，当用ns量级的脉冲光时SBS不会发生）主要原因是参与SBS的是声频声子，而参与SRS的是光频声子。

不同掺杂的光纤其布里渊增益谱不同3．瑞利散射分布式光纤传感器（OBR）当光纤受力时，其瑞利散射光强也随之变化1．7．3 偏振型分布式光纤传感器原理：利用高双折射光纤在外界因素下引起的偏振量耦合来感知被测量的变化，再利用扫描麦克尔逊干涉仪测出被测量的位置1．7．4 相位型分布式光纤传感器图1-7-4 分布式Sagnac光纤应力传感器简图利用干涉仪的原理1．7．5 微弯型分布式光纤传感器利用光纤中的微弯损耗效应和OTDR技术可构成分布式光纤应变传感器1．7．6 荧光型分布式光纤传感器利用荧光信号指数衰减，荧光寿命与温度有关，由冲式激光做光源1．8 聚合物光纤传感器构成：由聚合物多模光纤制造（单模 光纤光栅处于研究中）应用领域：安全传感器、温度传感器、生物传感器、化学传感器、气体传感器、露点传感器、流量传感器、pH传感器、浑浊度传感器优点：弹性低（低杨氏模量，“柔软”）、抗腐蚀、大拉伸强度、抗震动冲击、不易折断、材料可选范围广缺点：化学/热学/机械性能不稳定，尤其是在恶劣温茺、湿度、紫外辐照下工作温度低，85℃第二章 多传感器的光网络技术 2．2．1 网络损耗的主要来源1．弯曲引起的光纤损耗（弯曲损耗）弯曲损耗： 宏弯损耗微弯损耗1）光纤的宏弯损耗曲率半径在一个临界值，时附加损耗可以忽略不计；否则，弯曲损耗指数增加。

确定R值是很重要的多模光纤时，附加损耗可以忽略不计图2-2-1 损耗与弯。