光纖光柵傳感器基本知識-文檔資料

1、QQP PS S 1光纖光柵傳感器基本知識一、簡述二、光學基本知識三、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)的基本構成八、光纖光柵傳感器的優(yōu)點QQP PS S QQP PS S 22一、光纖光柵傳感器簡述光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內形成空間相位光柵，其作用實質是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡，其光學性質又受控于外界環(huán)境物理量，從而構成了光纖光柵傳感器。光纖本身具有低耗傳輸、抗電磁干擾、質輕、徑細、柔韌、化學穩(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，具有廣泛的應用前景。2009/6/17QQP

2、PS S 3sin 2 n1sin 1 n2二、光學基本知識 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、臨界角光線從光密介質射向光疏介質；入射角大于臨界角 光的衍射- 光的波動性，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 QQP PS S 5布拉格定

3、律當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 ，當行程差是波長的整數倍時，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在微觀上可能與眾多物理因素有關，是一個非常復雜的物理過程，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)增敏技術常用的增敏技術有：增加缺陷濃度；摻入

4、具有較大紫外吸收系數的雜質；增加纖芯與包層之間的熱特性失配度等等如載氫技術、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。QQP PS S 7四、光纖光柵的寫入 寫入方法-可分為內部寫入與外部寫入（側寫）。 內部寫入法-射入光纖的激光經另一端反射鏡反射后與入射光相干涉形成駐波，在光纖內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成為可能。QQP PS S 8 相位掩模法該技術不

5、僅提高了光柵的寫入效率，而且通過改變兩束相干光的夾角，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QQP PS S 99相位掩膜技術2009/6/17QQP PS S 10五、光纖光柵測量原理相長干涉：當光入射到纖芯中，在折射率周期性變化的介質表面發(fā)生反射和透射。當在不同界面上反射的光的光程差是某個波長的整數倍時，將發(fā)生相長干涉，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,即折射率調制的空間周期有效折射率，即折射率調制

6、幅度大小的平均效應;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，而這些參數又是光柵長度、折射率調制系數等參數的函數。任何使這些參量發(fā)生改變的物理過程（如：溫度、應力等）都將引起光柵Bragg波長的漂移。建立并標定光纖光柵中心波長的變化與被測量的關系，即可由光纖布拉格中心波長的變化獲得被測量。QQP PS S 11布拉格反射反反射射功功率率波長波長QQP PS S 12BTkT傳感模型：光纖光柵的傳感模型有 ：應變傳感模型 、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力的影響。 基本公式： k T k B其中：B 為布拉格波長， T 為溫度變化量， 為應力變化量

7、；靈敏度系數， k 為應變響應靈敏度系數。為溫度響應交叉敏感問題：利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度與應變傳感器，通過解二元線性方程組來獲得外界溫度變化和應力變化量。如使其中一條光纖光柵不受應力影響，上述方程組可得到簡化，成了溫度補償。反之，亦可構成應力補償。QQP PS S 13利用響應靈敏度不同的兩條光纖光柵，測量同一環(huán)境中的溫度和應力，解線性方程組得到被測溫度和應力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)的基本構成 基本構成：寬帶光源、分路器、光纖

8、光柵、解調器 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）光纖光柵網絡系統(tǒng)：該系統(tǒng)的功能是通過光纜將多個探頭串接起來，并構成傳感器矩陣，形成傳感器網絡。（2）光纖通訊傳輸網絡：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、預警、報警功能。QQP PS S 16基本構成QQP PS S 17單個測量系統(tǒng)構成QQP PS S 18多個測量系統(tǒng)構成QQP PS S 19八、光纖光柵傳感器的優(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）數字編碼 化學穩(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） 質輕、徑細、柔韌、成本低 （可埋入被測對象內，對環(huán)境影響