光纖光柵傳感器基本知識

1、光纖光柵傳感器基本知識一、簡述二、光學(xué)基本知識三、光纖的光敏性四、光纖光柵的寫入五、光纖光柵測量原理六、光纖光柵的輸入輸出七、實際傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)成八、光纖光柵傳感器的優(yōu)點,2,一、光纖光柵傳感器簡述光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡，其光學(xué)性質(zhì)又受控于外界環(huán)境物理量，從而構(gòu)成了光纖光柵傳感器。光纖本

2、身具有低耗傳輸、抗電磁干擾、質(zhì)輕、徑細(xì)、柔韌、化學(xué)穩(wěn)定、電絕緣等優(yōu)點，光纖光柵傳感器成了無與倫比的新一代傳感器，具有廣泛的應(yīng)用前景。,2009/6/17,?,sin ? 2 n1sin ?1 n2,二、光學(xué)基本知識? 光的反射--反射定律? 光的折射--折射定律? 光的全反射--光疏、光密介質(zhì)、臨界角光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；入射角大于臨界角? 光的衍射-- 光的波動性，非直

3、線傳播? 光的干涉 -- 干涉現(xiàn)象、莫爾條紋、相干光源,nd sin ? ? k?,? 光纖 光纖中引導(dǎo)光傳播的基本原理是全反射折射率階躍光纖 （包層與纖芯為折射率不同的兩種均勻材料）折射率梯度光纖（折射率從纖芯到芯邊緣漸漸變?。┕庠跐u變光纖中會自覺地進行調(diào)整，自聚焦。? 光柵平面光柵相長干涉的條件：ndsin ? ? ? k ?相位光柵相長干涉的條件：2 nd sin ? ? ? k ?,?,布拉格定

4、律當(dāng)入射波從晶體中的平行原子平面作鏡面反射，若平行晶面間距為d，則相鄰平行晶面反射的射線行程差是2ndsin ，當(dāng)行程差是波長的整數(shù)倍時，來自相繼平面的輻射就發(fā)生了相長干涉。 這就是布拉格定律。2nd sin ? ? k?,入射光,反射光會聚點,d兩鏡面反射光光程差的計算,三、光纖的光敏性?光纖的光敏性外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化?光敏機理光敏效應(yīng)在微觀上可能與眾多

5、物理因素有關(guān)，是一個非常復(fù)雜的物理過程，目前還不能給出完全定量化的描述缺陷又被稱為色心，是光敏性的原因。常用的解釋模型有色心模型、密致模型。是光的粒子性的一種表現(xiàn)?增敏技術(shù)常用的增敏技術(shù)有：增加缺陷濃度；摻入具有較大紫外吸收系數(shù)的雜質(zhì)；增加纖芯與包層之間的熱特性失配度等等如載氫技術(shù)、光纖還原法、多種摻雜等?光纖生命周期和熱穩(wěn)定性般考慮熱退化（即擦除溫度）和機械強度。,四、光纖光柵的寫入? 寫入方法----可分為內(nèi)部

6、寫入與外部寫入（側(cè)寫）。? 內(nèi)部寫入法---射入光纖的激光經(jīng)另一端反射鏡反射后與入射光相干涉形成駐波，在光纖內(nèi)]形成了與駐波周期相一致的體積折射率光柵…Bragg光柵。 1978年由K.O.Hill用內(nèi)寫入法發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性。? 外部寫入法 ---分波面干涉法、逐點寫入法、振幅掩模法、接觸式相位掩模法、非接觸式相位掩模法。相位掩模法使規(guī)?；a(chǎn)成為可能。,相位掩模法該技術(shù)不僅提高了光柵的寫入效率，而且通過改變兩束相干

7、光的夾角，還可以改變光柵的周期，從而達到控制光纖光柵布喇格波長的目的。,紫外激光光束金屬掩模相位掩模干涉光纖纖芯光纖中寫入光柵的相位掩模幾何原理,9,相位掩膜技術(shù),2009/6/17,?,五、光纖光柵測量原理,?相長干涉：當(dāng)光入射到纖芯中，在折射率周期性變化的介質(zhì)表面發(fā)生反射和透射。當(dāng)在不同界面上反射的光的光程差是某個波長的整數(shù)倍時，將發(fā)生相長

8、干涉，由此可得布拉格條件。反射峰非常窄。,? Bragg 條件： ?B ? 2neff ?,式中： B ---Bragg 波長;,neff ---光柵的---光柵周期,即折射率調(diào)制的空間周期有效折射率，即折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng);,?,?傳感原理：Bragg光柵的反射譜主要由其帶寬和峰值反射率決定，而這些參數(shù)又是光柵長度、折射率調(diào)制系數(shù)等參數(shù)的函數(shù)。任何使這些參量發(fā)生改變的物理過程（如：溫度、應(yīng)力等）都將引起光

9、柵Bragg波長的漂移。建立并標(biāo)定光纖光柵中心波長的變化與被測量的關(guān)系，即可由光纖布拉格中心波長的變化獲得被測量。,布拉格反射,反射功率,波長,?,?,B,T,kT,?,傳感模型：光纖光柵的傳感模型有 ：應(yīng)變傳感模型 、溫度傳感模型 、動態(tài)磁場傳感模型。通常，可以只考慮溫度和應(yīng)力的影響。,? 基本公式： ? ? k ? T ? k ? ?

10、 ?? B其中：?B 為布拉格波長， ?T 為溫度變化量， ?? 為應(yīng)力變化量；靈敏度系數(shù)， k? 為應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)。,為溫度響應(yīng),交叉敏感問題：利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過解二元線性方程組來獲得外界溫度變化和應(yīng)力變化量。如使其中一條光纖光柵不受應(yīng)力影響，上述方程組可得到簡化，成了溫度補償。反之，亦可構(gòu)成應(yīng)力補償。,利用響應(yīng)靈敏

11、度不同的兩條光纖光柵，測量同一環(huán)境中的溫度和應(yīng)力，解線性方程組得到被測溫度和應(yīng)力,??B1?B1??B 2?B 2,? KT 1?T ? K? 1?? KT 2 ?T ? K? 2?,六、光纖光柵的輸入輸出,七、光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)成? 基本構(gòu)成：寬帶光源、分路器、光纖光柵、解調(diào)器? 其余：除此之外光纖光柵傳感系統(tǒng)還包括如下幾個方面：（1）光纖光柵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：該系統(tǒng)的功能是通

12、過光纜將多個探頭串接起來，并構(gòu)成傳感器矩陣，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。（2）光纖通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)：不同位置的監(jiān)測點可以使用光纜直接將傳輸信號引入中心監(jiān)控室的信息處理及分析系統(tǒng)上。（3）信息處理及分析系統(tǒng)：該系統(tǒng)由光纖光柵傳感探測信號處理器以及計算機軟件構(gòu)成，信號處理器系統(tǒng)功能包括系統(tǒng)的信息收集、處理和傳送，計算機軟件系統(tǒng)包括信息處理、分析、傳送、儲存管理、預(yù)警、報警功能。,基本構(gòu)成,單個測量系統(tǒng)構(gòu)成,多個測量系統(tǒng)構(gòu)成,八、光纖光柵傳

13、感器的優(yōu)點? 低耗傳輸（損耗約0.2dB/km ）? 抗電磁干擾（光傳輸，頻率遠高于電磁波）數(shù)字編碼? 化學(xué)穩(wěn)定，電絕緣性能好，抗腐蝕，特別適合于惡劣 和高危環(huán)境中應(yīng)用光纖所用的材料為石英玻璃、氟化物 或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（即有機玻璃）? 質(zhì)輕、徑細(xì)、柔韌、成本低 （可埋入被測對象內(nèi)，對環(huán)境影響小，安裝簡單）? 絕對測量，可自校準(zhǔn)，重復(fù)性好? 可分布式測量或逐點定位測量，無電測量?