光纖光柵傳感器基本知識(shí)-文檔資料

1、QQP PS S 1光纖光柵傳感器基本知識(shí)一、簡(jiǎn)述二、光學(xué)基本知識(shí)三、光纖的光敏性四、光纖光柵的寫(xiě)入五、光纖光柵測(cè)量原理六、光纖光柵的輸入輸出七、實(shí)際傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)成八、光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)QQP PS S QQP PS S 22一、光纖光柵傳感器簡(jiǎn)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(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)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(diǎn)，光纖光柵傳感器成了無(wú)與倫比的新一代傳感器，具有廣泛的應(yīng)用前景。2009/6/17QQP

2、PS S 3sin 2 n1sin 1 n2二、光學(xué)基本知識(shí) 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(dòng)性，非直線傳播 光的干涉 - 干涉現(xiàn)象、莫爾條紋、相干光源QQP PS S 4nd 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(huì)自覺(jué)地進(jìn)行調(diào)整，自聚焦。 光柵平面光柵相長(zhǎng)干涉的條件：ndsin k 相位光柵相長(zhǎng)干涉的條件：2 nd sin k QQP PS S 5布拉格定

3、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(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，來(lái)自相繼平面的輻射就發(fā)生了相長(zhǎng)干涉。 這就是布拉格定律。2nd sin k入射光反射光會(huì)聚點(diǎn)d兩鏡面反射光光程差的計(jì)算QQP PS S 6三、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(jī)理光敏效應(yīng)在微觀上可能與眾多物理因素有關(guān)，是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，目前還不能給出完全定量化的描述缺陷又被稱(chēng)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

4、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(jī)械強(qiáng)度。QQP PS S 7四、光纖光柵的寫(xiě)入 寫(xiě)入方法-可分為內(nèi)部寫(xiě)入與外部寫(xiě)入（側(cè)寫(xiě)）。 內(nèi)部寫(xiě)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(xiě)入法發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性。 外部寫(xiě)入法 -分波面干涉法、逐點(diǎn)寫(xiě)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。QQP PS S 8 相位掩模法該技術(shù)不

5、僅提高了光柵的寫(xiě)入效率，而且通過(guò)改變兩束相干光的夾角，還可以改變光柵的周期，從而達(dá)到控制光纖光柵布喇格波長(zhǎng)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(xiě)入光柵的相位掩模幾何原理QQP PS S 99相位掩膜技術(shù)2009/6/17QQP PS S 10五、光纖光柵測(cè)量原理相長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，將發(fā)生相長(zhǎng)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(zhǎng);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

6、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(zhǎng)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(guò)程（如：溫度、應(yīng)力等）都將引起光柵Bragg波長(zhǎng)的漂移。建立并標(biāo)定光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化與被測(cè)量的關(guān)系，即可由光纖布拉格中心波長(zhǎng)的變化獲得被測(cè)量。QQP PS S 11布拉格反射反反射射功功率率波長(zhǎng)波長(zhǎng)QQP PS S 12BTkT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(dòng)態(tài)磁場(chǎng)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 B其中：B 為布拉格波長(zhǎng)， T 為溫度變化量， 為應(yīng)力變化量

7、；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(wèn)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(guò)解二元線性方程組來(lái)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(jiǎn)化，成了溫度補(bǔ)償。反之，亦可構(gòu)成應(yīng)力補(bǔ)償。QQP PS S 13利用響應(yīng)靈敏度不同的兩條光纖光柵，測(cè)量同一環(huán)境中的溫度和應(yīng)力，解線性方程組得到被測(cè)溫度和應(yīng)力B1B1B 2B 2 KT 1T K 1 KT 2 T K 2QQP PS S 14六、光纖光柵的輸入輸出QQP PS S 15七、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

8、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(gè)方面：（1）光纖光柵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：該系統(tǒng)的功能是通過(guò)光纜將多個(gè)探頭串接起來(lái)，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(cè)點(diǎn)可以使用光纜直接將傳輸信號(hào)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(cè)信號(hào)處理器以及計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成，信號(hào)處理器系統(tǒng)功能包括系統(tǒng)的信息收集、處理和傳送，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)包括信息處理、分析、傳送、儲(chǔ)存管理、預(yù)警、報(bào)警功能。QQP PS S 16基本構(gòu)成QQP PS S 17單個(gè)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成QQP PS S 18多個(gè)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成QQP PS S 19八、光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn) 低耗傳輸（損耗約0.2dB/km ） 抗電磁干擾（光傳輸，頻率遠(yuǎn)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(jī)玻璃） 質(zhì)輕、徑細(xì)、柔韌、成本低 （可埋入被測(cè)對(duì)象內(nèi)，對(duì)環(huán)境影響