光纖測量技術(shù)

1、6.1 光纖概述 6.2 光纖用光源和傳輸連接器件 6.3 光纖傳感原理 6.4 光纖光柵傳感器 6.5 光纖傳感器的應(yīng)用,第6章 光纖測量技術(shù),6.1 光纖測量技術(shù)以光波為載體，光纖為媒質(zhì)來感知和傳輸外界被測信號,纖芯、包層、涂敷層、護(hù)套,主體 ---- 纖芯與包層,特殊場合：沒有涂敷層和護(hù)套 --- 裸纖,(1) 光纖的基本結(jié)構(gòu),涂敷層--- 材料：硅酮或丙烯酸鹽--- 隔離雜光。,纖芯 --- 石英玻璃；直徑

2、：5~75μm；材料：二氧化硅（主體），摻雜其他微量元素 --- 提高折射率,包層 --- 直徑：100~200μm；材料：二氧化硅（主體）--- 折射率略低于纖芯。,護(hù)套 --- 材料:尼龍/其他有機(jī)材料 --- 提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖,(2) 光纖原理,全反射：光密介質(zhì)1 → 光疏介質(zhì)2 ( n1>n2),→ θ1<θ2,θ1↑→θ2↑,臨界角：θ2=90º→θ1=θC →,→θ2=90º →θ2&

3、gt;90º→ 全反射,光纖波導(dǎo)原理：,光束 ：空氣 → 纖芯n1 →從一端到另一端,空氣→纖芯：,纖芯→包層：,（全反射）,空氣n0 、纖芯n1、包層n2 (n1>n2>n0),,集光性能,,(3) 光纖模式,光波在光纖中的傳播途徑和方式，是離散的。,① 單模光纖： 只傳輸主模（波長1310nm/1550nm）；傳輸頻帶寬，適于大容量，長距離通訊。

4、 優(yōu)點(diǎn)：信號畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高 缺點(diǎn)：纖芯較小，制造、連接、耦合困難。,② 多模光纖 ： 在工作波長（850nm/1300nm）下多個(gè)模式在光纖中傳輸；頻帶較窄，適于小容量，短距離。優(yōu)點(diǎn)：纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。缺點(diǎn)：性能較差。,(4) 光纖分類,按原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、復(fù)合材料（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。,2.按傳輸模式：單模光纖、多模光纖。單模光

5、纖只傳輸一種模式，多模光纖能傳幾百至幾千種模式。,3.按折射率分布：階躍型、近階躍型、漸變型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。,4.按工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖。短波長光纖為0.8～0.9μm的光纖；長波長光纖為1.0～1.7μm；超長波長光纖為2μm以上。,5.按制造方法：汽相軸向沉積、化學(xué)汽相沉積，拉絲法等。,(5) 光纖特性,1.物理特性：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用兩根光纖組成傳輸系統(tǒng)。按波長分3種：0.85μm短波長

6、區(qū)，多模光纖方式；1.3μm長波長區(qū)，多模和單模兩種方式；1.55μm長波長區(qū)，單模光纖方式。,2.傳輸特性：通過內(nèi)部全反射傳輸光信號，傳輸率Gb/s級，信號損耗和衰減非常小，適合長距離傳輸。,3.連通性：普遍用于點(diǎn)到點(diǎn)鏈路。功率損失和衰減小，帶寬較大，支持比雙絞線或同軸電纜多的分接頭數(shù)。,4.傳輸范圍：6～8km距離內(nèi)不用中繼器傳輸，可在幾個(gè)建筑物之間通過點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路連接局域網(wǎng)絡(luò)。,5.抗干擾性：不受電磁干擾及噪聲影響的獨(dú)有特征，長距

7、離保持高數(shù)據(jù)傳輸率，很好安全性。,(6) 光纖損耗與色散,1．光纖的損耗——固有損耗和附加損耗 固有損耗由光纖材料特性決定，包括散射損耗、吸收損耗和因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。 附加損耗由光纖鋪設(shè)過程中人為造成的，包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗，應(yīng)盡量避免的。,2．光纖的色散 光脈沖傳播時(shí)因各波長群速度不同產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象，與波速、波長變化有關(guān),原因：光源發(fā)出的并不是單色光；調(diào)制信號有一定的帶寬。,分類：

8、 ① 模式色散：多模光纖中不同模式的光因傳播速度不同而引起的色散。 ② 色度色散：光源光譜中不同波長在光纖中的群延時(shí)差所引起的光脈沖展寬現(xiàn)象。 ③ 偏振模色散：當(dāng)光纖存在雙折射時(shí)，因單模光纖中存在偏振方向相互正交的兩個(gè)基模的傳輸速度不同而引起的色散。,（7）光纖的偏振與雙折射,1.單模光纖僅傳播HE11一種模式。理想情況下HE11模為垂直于光纖軸線的線偏光，可以分解為彼此獨(dú)立、互不影響的兩個(gè)正交偏振分量 HEX1

9、1 和 HEY11 ，它們的傳播常數(shù)相等，即?x=?y，在傳播過程中始終保持相位相同。,,,實(shí)際的光纖總含有一些非對稱因素，使兩個(gè)本來簡并的模式HEX11和HEY11的傳播常數(shù)出現(xiàn)異常，即?x -?y≠0。線偏態(tài)沿光纖不再保持不變而發(fā)生連續(xù)變化，這種現(xiàn)象稱為光纖的雙折射效應(yīng)?？捎脷w一化雙折射系數(shù)B或拍長?來表示。,,,nav——單模光纖的平均折射率；?av——單模光纖的平均傳播常數(shù)。 ?通常在10cm～2m之間,2.保偏/高雙折射率光纖

10、，B值達(dá)10-4～ 10-3量級，相當(dāng)于?在毫米量級，結(jié)構(gòu)如下所示。,3.低雙折射率光纖，B為10-7量級以下，?達(dá)100m以上的單模光纖。按其生產(chǎn)工藝的特性命名的。,結(jié)論：上述單模光纖實(shí)際存在著兩個(gè)彼此獨(dú)立的正交模態(tài)，為雙模態(tài)工作。若在制造光纖時(shí)，使單模光纖的兩個(gè)模態(tài)具有不同的衰減率，二者的消光比達(dá)到50dB以上，則其中的高損耗模態(tài)實(shí)際上已經(jīng)截止，光纖中只剩下一個(gè)偏振模傳輸，此時(shí)才是真正純粹的單模光纖。純單模光纖時(shí)輸入任何偏振態(tài)的光都

11、只有線偏光輸出，因此也稱起偏光纖。,6.2 光纖用光源和傳輸連接器件,（1）光纖用光源,要求體積小、便于耦合，頻譜特性與光纖波導(dǎo)的傳輸頻響特性匹配，在工作波長下輸出光通量應(yīng)最大，特定條件下要求光源的相干性好。同時(shí)要求穩(wěn)定性好、室溫下能夠連續(xù)長期工作，信噪比高、使用方便。,非相干光源a.熱光源，由于穩(wěn)定性和調(diào)制速率的限制，一般不提倡選用。b.氣體放電光源， 高強(qiáng)度和短波長，如通過高強(qiáng)度短波長的光激發(fā)待測物質(zhì)，使其發(fā)射熒光，可用來

12、檢測物質(zhì)的溫度、含量等。c.發(fā)光二極管， 可靠性較高，光功率好等，常用在一些簡易的光纖傳感器中。,分類：,相干光源——主要是各種類型的激光器a.固體激光器：激光物質(zhì)為固體，輸出能量大、峰值功率高、便于光纖耦合、使用壽命長、價(jià)格適中，有一定應(yīng)用，可用于測量吸收光譜。,b.液體激光器：激光物質(zhì)是液體，很少使用。,c.氣體激光器：激光物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。有很高的連續(xù)功率，非常適合光纖傳感。分布式光纖傳感器系統(tǒng)中，一般選用氣體特別是

13、氬離子激光器。,d.半導(dǎo)體激光二極管：效率高、體積小，波長范圍較寬，價(jià)格低，光纖混合傳感器中應(yīng)用非常廣泛。但工作一定時(shí)間后性能將退化或變質(zhì)，不適于在一些須長期使用、不便更換的光纖傳感器中。,f.光纖激光器 ：激光物質(zhì)為稀土離子摻雜光纖。有摻稀土光纖激光器、光纖光柵激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器等。 具有易使低泵浦連續(xù)工作；閾值低，增益高，熱效應(yīng)低；可制成窄線寬、可調(diào)諧激光器；能很好與光纖耦合，進(jìn)行全光纖測

14、試，可傳輸系統(tǒng)光源等優(yōu)點(diǎn)。在下一代光纖傳感器中有非常好的應(yīng)用前景。,e. 面發(fā)射激光器：光從垂直于半導(dǎo)體襯底表面的方向射出的半導(dǎo)體激光器。光纖結(jié)合容易、可做成密集排列的二維激光陣列，使光纖傳感進(jìn)行小面積內(nèi)同時(shí)多點(diǎn)測量及龐大的傳感器系統(tǒng)微小化得以實(shí)現(xiàn)。,g.ASE光源：最常用的一種高穩(wěn)定、高功率輸出的寬帶光源。廣泛用于光纖無源器件的生產(chǎn)與測試，功效高，操作簡單、測試精度高。廣泛用于其它光纖器件如耦合器、隔離器、環(huán)形器等的光譜特性測量，是理

15、想光源。,（2）光纖無源器件,為光纖傳輸系統(tǒng)提供媒介、連接及固定，包括光纖適配器、光纖活動(dòng)連接器、光纖配線架、光纖衰減器、光分路器、光波分復(fù)用器、光纖光纜等。,光纖連接器 用于連接兩根光纖或光纜形成連續(xù)光通路 ，目前使用最多。由兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管組成。,性能要求：① 光學(xué)性能：要求插入損耗25dB。② 互換性、重復(fù)性③ 抗拉強(qiáng)度：>90N。④ 溫度：-40℃ ~ +70℃能夠正常使用。⑤ 插拔次數(shù)：可插拔

16、l000次以上。,圖6-6 光纖連接器,2.光纖耦合器 將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中。傳送和分配光信號的無源器件。,圖6-7 定向耦合器工作原理,分類：依據(jù)耦合器傳送信號的方式透射型M?N耦合器反射型I?N耦合器 透反型M?N耦合器,圖6-8 光纖耦合器類型（a）8?8 透射型耦合器 （b）1?8 反射型耦合器 （c）2?8 透反型耦合器,3.光開關(guān) 用于切換光路，主要考慮開關(guān)速度、開關(guān)矩陣規(guī)模、

17、損耗、串?dāng)_、偏振敏感性、可靠性以及可擴(kuò)展性等。,4. 波分復(fù)用器（ WDM ） 光纖通信特有的傳輸技術(shù)，利用一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長的光載波，將光纖低損耗窗口劃分成若干個(gè)波段獨(dú)立用作一個(gè)通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號。工作原理如圖。 主要有棱鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種，要求插入損耗在1-5dB左右；串音損耗越大越好，應(yīng)大于20dB。,圖6-9 波分復(fù)用技術(shù)原理,6.3 光纖傳感原理,光纖中傳輸?shù)墓馐鼙粶y量

18、影響，導(dǎo)致光強(qiáng)度、相位、頻率、等發(fā)生變化。通過監(jiān)測光的這些變化量獲得被測量，有強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、波長調(diào)制等不同的工作原理。,,1.光纖傳感器的分類 (1)功能型光纖傳感器，光纖是連續(xù)的，不僅起傳光作用，還利用光纖在外界因素作用下，其光學(xué)特性變化實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。,(2) 非功能型（或傳光型）光纖傳感器 光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，光纖不連續(xù)。較容易實(shí)現(xiàn)，成本低，但靈敏度也較低。,(3)拾光型

19、光纖傳感器 光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。,圖6-10 光纖傳感器原理,優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣好、防爆性、光路可彎曲、寬頻帶、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、抗電磁干擾、可工作于惡劣環(huán)境、傳輸距離遠(yuǎn)、便于復(fù)用、成網(wǎng)。,2 光纖中的光波調(diào)制技術(shù) ——強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。,a.強(qiáng)度調(diào)制，最常用的調(diào)制方法，結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)

20、現(xiàn)，但受光源強(qiáng)度的波動(dòng)和連接器損耗變化的影響大。,圖6-11 強(qiáng)度調(diào)制原理,b.相位調(diào)制，光纖中光相位發(fā)生變化,圖6-13 相位檢測原理,圖6-14 光纖多普勒探頭,c. 頻率調(diào)制 通過傳感元件，光纖中光頻率發(fā)生相應(yīng)變化。如利用多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速計(jì)等；利用喇曼散射構(gòu)成的氣體傳感器；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。,,圖6-15 波長調(diào)制原理,d. 波長調(diào)制，利用被測量改變光纖中光波長，檢測光波長變化得出各被測量。光強(qiáng)

21、與溫度的關(guān)系如右下圖，波長為650nm時(shí)，光強(qiáng)隨溫度變化最靈敏，800nm時(shí)，光強(qiáng)與溫度無關(guān)，因此用這兩個(gè)波長進(jìn)行檢測就能確定溫度。,圖6-16 光強(qiáng)與溫度關(guān)系曲線,優(yōu)缺點(diǎn)： 對光纖或連接器的穩(wěn)定性不敏感，被廣泛應(yīng)用于液體濃度的化學(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析等。但是解調(diào)技術(shù)較復(fù)雜，可采用光學(xué)濾波或雙波長檢測技術(shù)，簡化解調(diào)技術(shù)。,e.時(shí)分調(diào)制 外界物理量通過不同傳感元件，使光纖中光的基帶頻譜延遲時(shí)間及幅

22、度發(fā)生相應(yīng)變化的過程。 不僅能測量外界物理量隨時(shí)間的變化，同時(shí)也能測量其的空間分布，是分布式傳感器基礎(chǔ)。,圖6-17 時(shí)分調(diào)制原理,f.偏振態(tài)調(diào)制, 利用光偏振態(tài)變化，如法拉第效應(yīng)做成的電流傳感器；泡爾效應(yīng)做成的電壓傳感器；光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；及光纖雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。 可避免光源強(qiáng)度變化的影啊，靈敏度高。,圖6-18 偏振態(tài)檢測系統(tǒng),6.4 光纖光柵傳感器,利用光纖材料的光敏性，在

23、單模光纖的纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。體積小、波長選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、可與其他光纖器件融成一體，制作工藝成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，可組成多種新型光電子器件，具有廣闊的應(yīng)用前景。,1.1 光纖光柵的分類按其空間周期和折射率系數(shù)分布特性可分為：①均勻周期光纖布喇格光柵。最早也是應(yīng)用最廣的一種光柵，在光纖激光 器、光纖傳感器、光纖波分復(fù)用/解復(fù)用等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。②啁啾光柵。柵格間距不等，做色散補(bǔ)償和光纖放大器的增益

24、平坦。③長周期光柵。柵格周期遠(yuǎn)大于一般的光纖光柵，EDFA的增益平坦和光纖 傳感。④閃耀光柵。當(dāng)折射率的空間分布與光纖軸有一個(gè)小角度，形成閃耀光柵。⑤相移光柵。是兩個(gè)光柵的不連續(xù)連接，能夠在周期性光柵光譜阻帶內(nèi)打開一個(gè)透射窗口，使得光柵對某一波長有更高的選擇度。目前光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。,1.2 光纖光柵的光學(xué)特性 光纖光柵縱向折射率的變化將引起不同光波模式間的耦合，在一根單

25、模光纖中，纖芯中的入射基模既可以被耦合成后向傳輸模式，也可以被耦合成前向包層模式，決定條件由下式表述。β1－β2＝2π/Λ Λ為光柵周期； β1和β2分別為模式1、2的傳播常數(shù)。當(dāng)一個(gè)前向傳輸?shù)幕１获詈铣珊笙騻鬏數(shù)幕r(shí)，滿足下列條件：2π/Λ＝β1－β2＝β01－(－β01)＝2β01 β01為單模光纖中傳輸模式的傳播常數(shù)。,1.3 光纖光柵傳感器原理 光纖光

26、柵的反射或透射峰的波長與光柵的折射率調(diào)制周期及纖芯折射率有關(guān)，會(huì)引起光纖光柵的反射或透射峰波長的變化。,由λB=2nΛ，n為芯模有效折射率，Λ為光柵周期。 當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的物理量發(fā)生變化，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，得出被測量。,（1） 啁啾光纖光柵傳感器工作原理 優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與在外界物理量的作用下除了△λB的變化外，還會(huì)引起光譜的展寬，在應(yīng)變和溫度均存

27、在的場合非常有用。,（2） 長周期光纖光柵傳感器工作原理 一般有數(shù)百微米，在特定的波長上把纖芯的光耦合進(jìn)包層：λi=(n0-niclad)·Λ，n0為纖芯的折射率，niclad為i階軸對稱包層模的有效折射率。 通過檢測△λi，獲得外界物理量變化的信息，適用于多參數(shù)傳感器。,1.5 光纖光柵傳感器的光源 傳感量是對波長編碼，光源必須有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性，常用ASE寬帶光源。,1.4 光纖

28、光柵傳感器的特點(diǎn)（1）可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)。用波長編碼，不受光源功率波 動(dòng)以及光纖彎曲等影響，有非常好的可靠性和穩(wěn)定性。（2）傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，適于各種應(yīng)用場合（3）抗電磁干擾、抗腐蝕、能在惡劣的化學(xué)環(huán)境下工作；（4）可復(fù)用性強(qiáng)，采用多個(gè)光纖光柵傳感器，可構(gòu)成分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。,2.1 光纖光柵耦合模理論 光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，一定波長的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合。對于整個(gè)光纖曝光區(qū)域，下式

29、為折射率分布較為一般的描述：,,,圖6-19 光纖光柵折射率分布,a1光纖纖芯半徑；a2光纖包層半徑；n1纖芯初始折射率；n2包層折射率；(r，?，z)光致折射率變化函數(shù),2.2 光纖光柵傳感探測解調(diào)技術(shù) 解調(diào)實(shí)質(zhì)是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換和傳遞的檢測系統(tǒng)，有強(qiáng)度解調(diào)、相位解調(diào)、頻率解調(diào)、偏振解調(diào)和波長解調(diào)等。光信號處理，即傳感器中心反射波長的跟蹤分析是解調(diào)關(guān)鍵。舉例介紹如下,圖6-20 可調(diào)諧光纖Bragg光柵濾波器檢測單個(gè)傳感光

30、柵的跟蹤模式,圖6-21 透射匹配光柵檢測傳感光柵的原理,（1）匹配光柵檢測法：消除了雙折射所引起的隨機(jī)噪聲，對最終檢測的反射光強(qiáng)無絕對要求。但系統(tǒng)光損耗較大；檢測靈敏度由PZT的位移靈敏度決定，會(huì)影響輸出結(jié)果；只適于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量。,（2） 波分復(fù)用(WDM)光纖耦合器解調(diào)法,,圖6-22 應(yīng)用波分復(fù)用耦合器解調(diào)波長信息的傳感系統(tǒng)原理圖,圖6-23 波分復(fù)用耦合器傳輸曲線,,相對光強(qiáng)/dB,（3）非平衡Mach—Zeh

31、nder干涉解調(diào)法,圖6-24 應(yīng)用非平衡Mach—Zehnder干涉解調(diào)的FBG傳感系統(tǒng),該裝置帶寬、高解析度，但局限于測量動(dòng)態(tài)應(yīng)變，不適于絕對應(yīng)變的測量，且、測量范圍非常有限，會(huì)出現(xiàn)絕對波長測量的損耗。,FBG探頭部分的擾動(dòng)產(chǎn)生的波長移動(dòng)類似于一個(gè)經(jīng)過波長(光學(xué)頻率)調(diào)制的光源，非平衡干涉儀表現(xiàn)為一個(gè)傳輸特性為余弦平方函數(shù)的光濾波器,圖6-25 采用光電探測器陣列的FBG信號解調(diào)裝置,（4） 斜光纖光柵(TFBG)解調(diào)法

32、 應(yīng)用了斜光柵的能將特定波長的光從包層導(dǎo)出原理。其折射率變化的分界面和光纖橫截面具有一定的角度，可以有效地將光纖纖芯中特定波長的導(dǎo)波模耦合到光纖包層成為導(dǎo)波?；蚰嫦?qū)Р＃蛘唏詈系酵饨绛h(huán)境成為輻射模。,圖6-26 基于波長選擇性探測器的解調(diào)法用于溫度測量,（5） 基于波長選擇性探測器的解調(diào)法 波長選擇性探測器能同時(shí)鑒別波長和進(jìn)行光學(xué)探測，因此，可以將波長選擇性探測器用于FBG信號的解調(diào)。,（1） 耦合特性長周期光纖光柵滿足

33、導(dǎo)波模與包層模、輻射?；蚱渌麑?dǎo)波模之間的Bragg相位匹配條件，可表示為,圖6-27 長周期光纖光柵的折射率調(diào)制原理及其傳輸譜,2.3 長周期光纖光柵（ LPFG ） 指柵格周期大于100?m的光纖光柵。能將光纖中傳播的特定波長的光波耦合到包層中損耗掉。,圖6- 28 更寬波長范圍內(nèi)LPFG的傳輸譜,在寬帶光源入射時(shí)，耦合波長為中心的多個(gè)吸收峰。可得耦合峰中心波長公式：,（2）長周期光纖光柵的折射率傳感機(jī)理 以耦合諧振

34、峰中心波長隨外界參數(shù)變化而移動(dòng)為基礎(chǔ)的。外界條件如環(huán)境溫度、應(yīng)力、等的改變可能引起纖芯和包層折射率及纖芯和包層半徑的變化，導(dǎo)致導(dǎo)模和包層模之間耦合的相位匹配波長及耦合系數(shù)改變，最終表現(xiàn)為光柵吸收峰中心波長和強(qiáng)度的變化。,（3）長周期光纖光柵傳感器的特性 長周期光纖光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度不僅與纖芯的參數(shù)有關(guān)，還與包層的參數(shù)有關(guān)。a. 合適的包層參數(shù)，可制成對溫度或應(yīng)變不敏感的長周期光纖光柵傳感器，從物理層解決溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題

35、，很有實(shí)際應(yīng)用意義。b.對不同的包層模，其有效折射率不同，因而溫度和應(yīng)變靈敏度也不同。故可通過監(jiān)測兩個(gè)不同包層模的吸收波長的移位，在一個(gè)長周期光纖光柵傳感器上實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測量。,,（4） 長周期光纖光柵傳感應(yīng)用 是透射型光纖光柵，無后向反射，在傳感測量系統(tǒng)中不需隔離器，測量精度較高。其諧振波長和峰值對外界環(huán)境的變化非常敏感，具有更好的溫度、應(yīng)變、彎曲、濃度和折射率靈敏度等，在傳感領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。,b.多參數(shù)測量 利

36、用多個(gè)損耗峰特性，由于不同衍射級次的包層模具有不同的溫度敏感性，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的同時(shí)測量。 解決長周期光纖光柵測量過程中的交叉敏感問題尤其重要。至今人們已提出了多種解決傳感應(yīng)用中交叉敏感問題的方案，各有各的特點(diǎn)。,a.溫度、應(yīng)變、扭曲等單參數(shù)測量 長周期光纖光柵諧振波長隨溫度變化而線性漂移，是一種很好的溫度傳感器。高溫段溫度靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低溫段，中間有明顯的過渡段，適于制作高溫(1000?C)下溫度傳感器。,測量范圍:100?

37、m, 標(biāo)準(zhǔn)分辨力0.05 ?m, 精度最高0.1 ?m,(1) 光纖位移傳感器,6.5 光纖傳感器的應(yīng)用,距離1～2?m; d=50?m時(shí), 位移變化1?m,光強(qiáng)變化20%,圖6-31 基于光彈效應(yīng)的光纖位移傳感器,,信號光源,壓縮盤,,,,入射光纖,,,,,,,,,,,光電探測器,接收光纖,,,,,,,起偏器,檢偏器,光彈材料,,位移量引起的壓力,,相位調(diào)制型光纖位移傳感器,應(yīng)用--- 水聽器; 光柵間距10?m,微彎---光

38、強(qiáng)損耗;壓力、應(yīng)變、振動(dòng)，復(fù)合材料,不同包層材料吸收損失不同,偏振態(tài)調(diào)制型電流傳感器,原理：法拉第旋光效應(yīng)電流→磁場→偏振方向改變,特點(diǎn)：功能型，無中斷檢測，結(jié)構(gòu)簡單，檢測范圍大（0~5000A, 1%）,(2) 光纖電流傳感器,（3） 光纖光柵傳感器,單參數(shù)測量： 溫度、應(yīng)變、扭曲,多參數(shù)測量： 溫度、應(yīng)變、 折射率、彎曲,化學(xué)及生物傳感器：有毒化學(xué)物質(zhì)（10-6）,非線性、其他參數(shù)等,（4

39、） 光纖壓力傳感器,圖6-33 光纖壓力傳感器原理,a) 液晶式,光電探測器,,,,,,,,,,,,激光器,,,,壓力,液晶,,,發(fā)射光,分束板,,,,反射光,,b) 膜片式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光電探測器,光源,,壓力,膜片,,,,,,,g,光纖束端面,,,發(fā)射光纖束,接收光纖束,,,,,,,,,,,,,,,,光電探測器,分束器,氦氖激光器,,,,,,擴(kuò)束器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

40、顯微物鏡,,單模光纖,,被測溫度場,a) 馬赫-澤德光纖溫度傳感器,,光電探測器,起偏器,氦氖激光器,,,,,,顯微物鏡,,單模光纖,,,,,,,,,,,,,,,,,~,50Hz,調(diào)制源,,壓電變換器,,被測溫度場,（5）光纖溫度傳感器,圖6-34 相位調(diào)制型光纖溫度傳感器,b) 法布里-珀羅光纖溫度傳感器,6.5.4 化學(xué)溶液濃度的測量,圖6-35 用LPFG 測量溶液折射率及濃度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖,,1．56個(gè)光纖光柵傳感器（FBG）

41、2．安裝在內(nèi)殼和噴水推進(jìn)器上3．實(shí)時(shí)局部應(yīng)變監(jiān)測和整船負(fù)載量的監(jiān)測,(a),1．分辨率高，無電磁干擾2．保持原有結(jié)構(gòu)不被破壞3．同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的遙感遙測,(b),監(jiān)測噴水推進(jìn)器的示意圖,(c),6.5.5 船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),思考題1.什么叫光纖的模式？什么叫單模光纖？什么叫多模光纖？2.簡述光纖的分類。3.光在光纖中傳輸，會(huì)有哪些損耗？4.簡述光纖用光源的特點(diǎn)和種類？5.光纖連接用到哪些器件，各有什么特點(diǎn)？6.光