光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用(錄像公開(kāi)課使用PPT)資料

1、光纖技術(shù)(jsh)及應(yīng)用1共六十五頁(yè)光纖發(fā)展(fzhn)歷史1870年，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾的實(shí)驗(yàn) 1960-光纖發(fā)明 1966-華裔科學(xué)家“光纖之父”高錕 預(yù)言光纖將用于通信。 1970-美國(guó)康寧公司成功(chnggng)研制成傳輸損耗只有20dm/km的光纖。 1977-首次實(shí)際安裝電話(huà)光纖網(wǎng)路 1978-FORT在法國(guó)首次安裝其生產(chǎn)之光纖電 1979-趙梓森拉制出我國(guó)自主研發(fā)的第一根實(shí)用光纖，被譽(yù)為“中國(guó)光纖之父” 1990-區(qū)域網(wǎng)路及其他短距離傳輸應(yīng)用之光纖 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纖直接到家庭 2009 高錕獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2 共六十五頁(yè)3光纖傳感

2、器始于1977年，目前已進(jìn)入研究與應(yīng)用并重階段。主要優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可撓性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭。頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大?？捎煤芟嘟募夹g(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成(guchng)傳感不同物理量的傳感器便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制可用高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能少。共六十五頁(yè)4一次涂覆層纖芯 包層套層一次涂覆層 包層 纖芯 套層光纖波導(dǎo)(b do)的結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1、纖芯：石英玻璃，直徑5-75um，材料(cilio)以二氧化硅為主，摻雜微量元素。2、包層：直徑100-200um，折射率略低于纖芯。3、涂敷層：

3、硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護(hù)。4、尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。 光纖傳感器的基礎(chǔ)共六十五頁(yè)5光纖的光波導(dǎo)(b do)原理n1n2n2n2n1光纖的臨界角對(duì)應(yīng)(duyng)光纖的入射角臨界值為：共六十五頁(yè)漸變(jinbin)光纖的導(dǎo)光原理示意圖6在漸變光纖中光線(xiàn)傳播(chunb)的軌跡近似于正弦波。共六十五頁(yè)光纖的分類(lèi)(fn li) 石英系列光纖（以SiO2為主要材料） 按光纖組成材料劃分 多組分光纖（材料由多組成分組成） 液芯光纖（纖芯呈液態(tài)(yti)） 塑料光纖（以塑料為材料） 階躍型光纖（SIF）光纖種類(lèi) 按光纖纖芯折射率分布劃分 漸變型光纖（GIF） W型光纖 單模光纖

4、（SMF） 按光纖傳輸模式數(shù)劃分 多模光纖（MMF ）7共六十五頁(yè)光纖的纖芯折射率剖面(pumin)分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）階躍光纖 （b） 漸變(jinbin)光纖 （c）W型光纖 8共六十五頁(yè)9光纖的類(lèi)型(lixng)共六十五頁(yè)光纖中的重要(zhngyo)參數(shù) 為表示光纖的集光能力(nngl)大小，定義光纖波導(dǎo)臨界入射角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑（NA），即：101、數(shù)值孔徑（NA,Numerical Aperture）當(dāng)光線(xiàn)在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時(shí)，

5、相應(yīng)的端面入射角為光纖波導(dǎo)的孔徑角（或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大于端面臨界角的光線(xiàn)才能在光纖中傳播，故光纖的受光區(qū)域是一個(gè)圓錐形區(qū)域，圓錐半錐角的最大值就等于孔徑角。共六十五頁(yè)2、光纖中的模式(msh)(Fiber Mode) 電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁場(chǎng)根據(jù)由光纖結(jié)構(gòu)決定的邊界條件，可求得滿(mǎn)足波動(dòng)方程的特定的離散的解，而某一個(gè)解代表(dibio)許多允許沿光纖波導(dǎo)傳播的波，每個(gè)允許傳播的解稱(chēng)為光纖的模式，每個(gè)波具有不同的振幅和傳播速度。光纖中可能傳播的模式有橫電波、橫磁波和混合波。（1）橫電波TEmn：縱軸方向只有磁場(chǎng)分量；橫截面上有電場(chǎng)分量的電磁波。中下標(biāo)

6、m表示電場(chǎng)沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場(chǎng)沿徑向方向的變化周數(shù)。（2）橫磁波TMmn:縱軸方向只有電分量；橫截面上有磁場(chǎng)分量的電磁波。（3）混合波HEmn或EHmn:縱軸方向既有電分量又有磁場(chǎng)分量，是橫電波和橫磁波的混合。無(wú)論哪種模式，當(dāng)m和n的組合不同，表示的模式也不同。11光纖中的重要參數(shù) 共六十五頁(yè)3、光纖的歸一化頻率(pnl)V 歸一化頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多少而引入的一個(gè)(y )特征參數(shù)。其定義為：12光纖中的重要參數(shù) 其中， r是光纖的纖芯半徑； 是光纖的工作波長(zhǎng)； n1和n2 分別是光纖的纖芯和包層折射率； k0 真空中的波數(shù)； 光纖的相對(duì)折射率差。歸一化頻率越大，

7、光纖所允許傳播的模式越多，當(dāng)V2.405時(shí)，光纖中只允許一個(gè)模式傳播，即基模。共六十五頁(yè)模式(msh)特性 當(dāng)0V2.405時(shí),光纖中除主模（或基模）HE11 模以外(ywi)，其余模式均截止，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。13單模傳輸條件多模傳輸?shù)臄?shù)目對(duì)于階躍型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為 對(duì)于漸變型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為共六十五頁(yè)截止波長(zhǎng)是單模光纖特有的參數(shù)，對(duì)應(yīng)于第一高階模的歸一化截止頻率Vc=2.405時(shí)的波長(zhǎng)。光在單模光纖中傳輸時(shí)的一種波長(zhǎng)。大于此波長(zhǎng)時(shí)二階LP11模中止(zhngzh)傳播。144、截止波長(zhǎng) c共六十五頁(yè)光纖的損耗(snho)特性15損耗(snho)的定義當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)

8、，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱(chēng)為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)表示： (單位：dB/km) 損耗大小影響光纖的傳輸距離長(zhǎng)短和中繼距離的選擇。損耗的種類(lèi)吸收損耗：來(lái)源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。 部分光纖傳感器利用了光纖的損耗特性。共六十五頁(yè)光纖的損耗(snho)16損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面不理想氣泡、條紋、結(jié)石本征散射及其他瑞利散射布里淵散射拉曼散射吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收雜質(zhì)離子的吸收過(guò)渡族金屬離子OH- 離子彎曲損耗共六十五頁(yè)17光纖的色散(ssn)特

9、性色散(ssn)的定義色散的種類(lèi)光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對(duì)中繼距離有影響。色散的大小常用時(shí)延差表示，時(shí)延差是光脈沖中不同模式或不同波長(zhǎng)成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時(shí)間差。模式色散：模式色散是由于光纖不同模式在同一波長(zhǎng)下傳播速度不同，使傳播時(shí)延不同而產(chǎn)生的色散。只有多模光纖才存在模式色散，它主要取決于光纖的折射率分布。材料色散：材料色散是由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)變化而使模式內(nèi)不同波長(zhǎng)的光時(shí)間延遲不同產(chǎn)生的色散。取決于光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線(xiàn)寬度。波導(dǎo)色散：波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)

10、與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的色散。取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的相對(duì)折射率差。共六十五頁(yè)18 波導(dǎo)色散和材料色散都是模式的本身色散，也稱(chēng)模內(nèi)色散。對(duì)于多模光纖，既有模式色散，又有模內(nèi)色散，但主要(zhyo)以模式色散為主。梯度型光纖中模式色散大為減少。 而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散，由于波導(dǎo)色散比材料色散小很多，通?？梢院雎浴２捎眉す夤庠纯捎行p小材料色散的影響。共六十五頁(yè)19光纖傳感器一般可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能型傳感器（Function Fiber Optic Sensor），又稱(chēng)FF型光纖傳感器；利用光纖本身感受被測(cè)量變化而改變傳輸光的特性，光纖既是傳光元件，又是敏感元件。另一類(lèi)是

11、非功能型傳感器（Non-Function Fiber Optic Sensor），又稱(chēng)NF型光纖傳感器。利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光信號(hào)(xnho)的傳輸介質(zhì)。一、光纖傳感器的分類(lèi)(fn li)共六十五頁(yè)20功能型光纖傳感器這類(lèi)傳感器利用光纖本身對(duì)被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用(zuyng)，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。非功能型光纖傳感器傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件(yunjin)實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。共六十五頁(yè)21光

12、纖傳感器的分類(lèi)(fn li)列表共六十五頁(yè)22 光纖的光波(gungb)調(diào)制技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制 相位(xingwi)調(diào)制 偏振調(diào)制 頻率調(diào)制 波長(zhǎng)調(diào)制共六十五頁(yè)231、強(qiáng)度(qingd)調(diào)制：IDttIS信號(hào)入射光強(qiáng)度調(diào)制光源出射光輸出ID光探測(cè)器強(qiáng)度調(diào)制(tiozh)原理IOtIit共六十五頁(yè)24強(qiáng)度調(diào)制是利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)(shxin)敏感測(cè)量的。共六十五頁(yè)25光是一種橫波。光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E 和磁場(chǎng)矢量H 和光線(xiàn)的傳播(chunb)方向s 正交。按照光的振動(dòng)矢量E、H 在垂直于光線(xiàn)平面內(nèi)矢量軌跡的不同，又可分為線(xiàn)偏振光、圓

13、偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。偏振調(diào)制就是利用光偏振態(tài)的變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象的信息。2、偏振(pin zhn)調(diào)制調(diào)制原理：普克爾Pockels效應(yīng)(電光效應(yīng))法拉第磁光效應(yīng)光彈效應(yīng)解調(diào)原理：檢偏器共六十五頁(yè)26相位(xingwi)調(diào)制的基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位(xingwi)變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位(xingwi)變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。3、相位(xingwi)調(diào)制應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)：光纖長(zhǎng)度變化光彈效應(yīng):光纖芯折射率變化磁致伸縮效應(yīng)：光纖芯直徑變化聲光效應(yīng)光熱效應(yīng)

14、薩格納克(Sagnac)效應(yīng)檢測(cè)原理相位解調(diào)原理：光外差檢測(cè)原理共六十五頁(yè)27二、典型(dinxng)干涉測(cè)量?jī)x與光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎厚R赫-澤德?tīng)?Mach-Zender)干涉儀法布里-泊羅(Fabry-Perot)干涉儀邁克爾遜(Michelson)干涉儀薩格納克(Sagnac)干涉儀常用干涉儀常用光纖干涉(gnsh)傳感器是利用上述原理由光纖實(shí)現(xiàn)的干涉(gnsh)型光纖傳感器。共六十五頁(yè)281. 邁克爾遜干涉儀干涉原理：當(dāng)激光束分得的兩光束的光程(un chn)差小于激光的相干長(zhǎng)度時(shí)，射到光檢測(cè)器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉，且相位差為：傳感器共六十五頁(yè)29傳感器2. 馬赫(mh)澤德?tīng)柛缮鎯x由移

15、動(dòng)平面鏡的位移獲得兩相干光束的相位差，在光檢測(cè)器處產(chǎn)生(chnshng)干涉。優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有激光返回激光器，噪聲小，穩(wěn)定性好。對(duì)干涉影響小。共六十五頁(yè)303. 薩格納克干涉儀激光器輸出的兩束光沿著一條由一個(gè)分束器和三個(gè)平面鏡構(gòu)成的閉合光路反方向傳輸,它們重新合路后再入射到光檢測(cè)器,同時(shí)一部分光又返回到激光器。當(dāng)平臺(tái)沿垂直于光束平面(pngmin)旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩方向相反的光束到達(dá)檢測(cè)器的延遲不同，從而產(chǎn)生相位變化。若平臺(tái)以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，則在順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓庋舆t(ynch)大。這個(gè)相位延遲(ynch)量可表示為：通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化，就知道旋轉(zhuǎn)速度，它是目前許多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所

16、用的環(huán)形激光陀螺和光線(xiàn)陀螺的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。共六十五頁(yè)314. 法布里-珀羅干涉儀傳感器它是由兩塊平行的部分透射平面鏡組成的。這兩塊平面鏡的反射率(反射系數(shù))通常(tngchng)是大于95%。假定反射率為95%,那么在任何情況下,激光器輸出光的95%將朝著激光器反射回來(lái),余下的5%的光將透過(guò)平面鏡而進(jìn)入干涉儀的諧振腔內(nèi)。其干涉(gnsh)原理是多光束干涉(gnsh)，其干涉(gnsh)光強(qiáng)度的變化為：共六十五頁(yè)325. 光纖干涉儀傳感器A: 邁克爾遜干涉儀；b：馬赫(mh)-澤德干涉儀；c: 塞格納克干涉儀； d：法布里-珀羅干涉儀敏感器敏感器敏感器敏感器部分透射反射鏡共六十五頁(yè)33三、光纖傳感器

17、實(shí)例(shl)3.1 光纖位移(wiy)傳感器反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)被測(cè)目標(biāo)表面光反射至接收光纖束的光強(qiáng)度的變化來(lái)測(cè)量被測(cè)表面距離的變化。所使用光纖束的特性是影響這種類(lèi)型光纖傳感器的靈敏度的主要因素之一。在光纖探頭的端部,發(fā)射光纖與接收光纖一般有四種分布:(a)隨機(jī)分布;(b)半球形對(duì)開(kāi)分布;(c)共軸內(nèi)發(fā)射分布;(d)共軸外發(fā)射分布，如圖所示。共六十五頁(yè)34 典型位移輸出曲線(xiàn)如圖所示。在輸出曲線(xiàn)的前坡區(qū)I,輸出信號(hào)強(qiáng)度增加得很快,這一區(qū)域可以用于微米級(jí)的位移測(cè)量。在后坡區(qū)II,信號(hào)的減弱約與探頭和被測(cè)表面(biomin)之間的距離平方成反比,可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線(xiàn)性度和精

18、度要求不高的測(cè)量。 反射式光纖位移傳感器的原理如右圖。1、探頭緊貼被測(cè)件時(shí)，無(wú)光接收沒(méi)有(mi yu)電信號(hào)。2、被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離探頭時(shí)，有一個(gè)線(xiàn)性增長(zhǎng)的輸出信號(hào)。有一最大輸出值“光峰點(diǎn)”。3、繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)，輸出信號(hào)越來(lái)越弱，與距離平方成反比。共六十五頁(yè) 3.2 相位干涉(gnsh)式位移傳感器35 Mach-Zehnder光纖干涉儀是應(yīng)用較為廣泛(gungfn)的一種干涉儀?？梢杂糜跍y(cè)量位移，其工作原理如圖共六十五頁(yè) 36共六十五頁(yè)37 外施力可以直接產(chǎn)生傳感臂光纖長(zhǎng)度L和直徑d變化以及折射率n變化。為了改善光纖對(duì)壓力的傳感靈敏度，通常在包層外再涂覆一層特殊材料。傳感臂上涂復(fù)材料具有“增敏”特

19、性，而參考光纖涂復(fù)材料對(duì)傳感量具有“去敏”特性。這樣可以有效提高檢測(cè)信噪比。當(dāng)光纖表面涂覆對(duì)其它物理量敏感的材料時(shí)，例如(lr)磁致伸縮材料、鋁導(dǎo)電膜和壓電材料等，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其它物理量，如磁場(chǎng)、電流、電壓等的檢測(cè)。共六十五頁(yè)38DSFF變形器光纖A1n0n2n123微彎光纖壓力(yl)傳感器光纖被夾在一對(duì)鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時(shí)，光線(xiàn)從光纖中穿過(guò)(chun u)，沒(méi)有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時(shí)，光纖則發(fā)生許多微彎，這時(shí)在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又? 光纖微彎增大，散射掉的光隨之增加，纖芯輸出光強(qiáng)度相應(yīng)減小。因此，通過(guò)檢測(cè)纖芯或包層的光功率，就能測(cè)得引起微彎的壓力

20、、聲壓，或檢測(cè)由壓力引起的位移等物理量。共六十五頁(yè)39 分布式光纖傳感器是一種本征型的光纖傳感器，所有敏感點(diǎn)均分布于一根傳感光纖上。目前有兩種方式發(fā)展(fzhn)比較快，一種是以光纖的后向散射光或前向散射光損耗時(shí)域檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的光時(shí)域分布式，另一種是以光波長(zhǎng)檢測(cè)為基礎(chǔ)的波長(zhǎng)域分布式。 時(shí)域分布式光纖傳感器的物理基礎(chǔ)是光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)（Optical Time-domain Reflectometry），簡(jiǎn)稱(chēng)OTDR。其基本原理是利用分析光纖中后向散射光或前向散射光的方法測(cè)量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，當(dāng)分布式光纖傳感器共六十五頁(yè)40 光纖某一點(diǎn)受溫度或

21、應(yīng)力作用時(shí)，該點(diǎn)的散射特性將發(fā)生變化，因此通過(guò)顯示損耗與光纖長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)檢測(cè)外界信號(hào)(xnho)分布于傳感光纖上的擾動(dòng)信息。圖給出了一種基于后向散射光檢測(cè)的OTDR原理圖?；?jy)后向散射光檢測(cè)的OTDR原理圖 脈沖激光光源后向散射回波傳感光纖3dB光電檢測(cè)與信號(hào)處理系統(tǒng)共六十五頁(yè)41由于(yuy)外界因素引起的沿光纖長(zhǎng)度上的某一點(diǎn)散射信號(hào)的變化，可以通過(guò)OTDR方法獨(dú)立地探測(cè)出來(lái)，而不受其他點(diǎn)散射信號(hào)改變的影響，因此可以采用OTDR方法實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的分布式測(cè)量。 相對(duì)回波光功率初始脈沖作用點(diǎn)終端費(fèi)涅爾回波長(zhǎng)度Z后向散射光檢測(cè)(jin c)波形示意圖 共六十五頁(yè)42* 光纖光柵(gung

22、shn)傳感器 光纖光柵傳感器(FBG)是利用 Bragg波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力的敏感特性(txng)而制成的一種新型的光纖傳感器。 共六十五頁(yè)43光纖光柵工作(gngzu)原理1 2 n芯層包層包層折射率 n2芯層折射率 n1感光折射率 n12 n共六十五頁(yè)44芯層包層+1級(jí)-1級(jí)紫外掩模寫(xiě)入法相位(xingwi)掩模板共六十五頁(yè)45 光纖布喇格光柵傳感原理(yunl) 光纖光柵纖芯中的折射率調(diào)制周期由下式給出：這里UV是紫外光源波長(zhǎng)， 是兩相干(xinggn)光束之間的夾角。共六十五頁(yè)46由于周期的折射率擾動(dòng)僅會(huì)對(duì)很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時(shí)，入射光能在相應(yīng)的頻率上

23、被反射回來(lái)，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。這類(lèi)調(diào)諧波長(zhǎng)反射現(xiàn)象首先是由威廉布喇格爵士給出解釋的，因而這種光纖光柵被稱(chēng)為布喇格光纖光柵，其反射條件(tiojin)被稱(chēng)為布喇格條件(tiojin)。在Bragg光柵中，反射的中心波長(zhǎng)由下式確定：共六十五頁(yè)47 其中(qzhng) neff 是光纖芯區(qū)有效折射率。 是光纖光柵的柵距即周期。只有滿(mǎn)足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射。對(duì)上式取微分可得：從式中可以看出，當(dāng)外界的應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致光纖光柵的或者neff的改變，因而檢測(cè)光纖光柵中心反射波長(zhǎng)(bchng)的變化，可以獲知外界應(yīng)力的變化。共六十五頁(yè)48則這個(gè)光波的

24、能量可以耦合到沿它的反方向(fngxing)傳播的具有相同波長(zhǎng)的反射光中去。設(shè)0=2neff/0，其中0為輸入光的波長(zhǎng)，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說(shuō)，如果0=2neff，光波將發(fā)生反射，這個(gè)波長(zhǎng)0就稱(chēng)作布喇格波長(zhǎng)。共六十五頁(yè)49 光纖光柵的柵距可通過(guò)改變寫(xiě)入光柵的兩相干紫外光束的相對(duì)角度得到調(diào)整，從而可以制作出不同反射(fnsh)波長(zhǎng)的Bragg光柵。共六十五頁(yè)50 光纖光柵應(yīng)變傳感器的基本原理是：當(dāng)光柵周?chē)膽?yīng)力或者應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵 Bragg 信號(hào)的波長(zhǎng)位移 ，通過(guò)監(jiān)測(cè) Bragg 波長(zhǎng)位移情況，即可獲得柵周?chē)膽?yīng)力或者應(yīng)變變化

25、情況。 由外界(wiji)應(yīng)力引起光纖光柵軸向應(yīng)變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長(zhǎng)移動(dòng)，由下式給出： 這里B是光柵布拉格反射波長(zhǎng)，B為在外界應(yīng)力作用下光柵布拉格反射波長(zhǎng)移動(dòng)量，是光纖軸向應(yīng)變，可表示為：共六十五頁(yè)51在實(shí)際應(yīng)用中， 是個(gè)很小的量，為此引入應(yīng)變量(binling)的10-6，作為光纖光柵度量單位。共六十五頁(yè)52 FBG所具有的多傳感器復(fù)用能力，使它在準(zhǔn)分布測(cè)量、多參數(shù)組合測(cè)量等方面顯現(xiàn)了非常(fichng)誘人的前景，因而在復(fù)合材料固化監(jiān)控、大型土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布及大型電力設(shè)備內(nèi)部溫度分布狀態(tài)監(jiān)控等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。 共六十五頁(yè)53光連接器調(diào)制解調(diào)器顯示儀表計(jì)算機(jī) 使用

26、現(xiàn)場(chǎng)控制室內(nèi)傳輸光纜連接光纜FBG探頭光纖光柵監(jiān)測(cè)(jin c)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖共六十五頁(yè)54 3 、光纖布喇格光柵解調(diào)原理 光纖布喇格光柵的解調(diào)有多種方法(fngf)，下面介紹匹配光纖光柵解調(diào)法。匹配光纖光柵檢測(cè)信號(hào)的基本原理如下圖所示，其中左圖為傳感光柵與解調(diào)光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢測(cè)到的信號(hào)共六十五頁(yè)55 選用一個(gè)與傳感光纖光柵 FBG1 參數(shù)相近的光纖光柵 FBG2 （匹配光柵）作為檢測(cè)光柵，使兩個(gè)光柵的反射譜部分重疊，即設(shè)置合適(hsh)的偏置傳感光纖光柵的輸出信號(hào)為檢測(cè)光纖光柵的輸入信號(hào)。輸出信號(hào)、輸入信號(hào)都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。 共六十五頁(yè)56 當(dāng)傳感光

27、纖光柵受到應(yīng)變的微擾時(shí)，其輸出的反射譜在一定范圍內(nèi)漂移，如左圖所示；解調(diào)光柵的反射譜是相對(duì)固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調(diào)光柵時(shí)，只有(zhyu)與兩光柵的反射譜重疊部分相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)的光波才可能被反射，而重疊部分的面積與反射譜的光強(qiáng)度成正比 共六十五頁(yè)57 當(dāng)兩光柵反射譜重疊面積較大(jio d)時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到的光信號(hào)較大(jio d)，反之則較小，即檢測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)是檢測(cè)光纖光柵 FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個(gè)光譜函數(shù)的卷積。隨著 FBG1上的微擾，在 FBG2的反射譜中可檢測(cè)到相對(duì)應(yīng)的一定光強(qiáng)度的光信號(hào)。共六十五頁(yè)58 光纖光柵分布傳感技術(shù)是先進(jìn)傳感技術(shù)發(fā)展(fzhn)的新

28、階段，它滿(mǎn)足了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的高精度、遠(yuǎn)距離、分布式和長(zhǎng)期性的技術(shù)要求。 光纖光柵(gungshn)不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干擾能力強(qiáng)、集傳感與傳輸于一體、易于制作和埋入等優(yōu)點(diǎn)，而且光柵(gungshn)具有波長(zhǎng)分離能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度極高、能絕對(duì)數(shù)字測(cè)量和精確定位的優(yōu)點(diǎn)。 共六十五頁(yè)59 特別是它可實(shí)現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應(yīng)用要求刻寫(xiě)多個(gè)不同布喇格波長(zhǎng)的光柵，在光纖一端實(shí)現(xiàn)所有光柵信號(hào)的檢測(cè)；同時(shí)能進(jìn)一步集合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變(yngbin)、溫度等參數(shù)以及內(nèi)部裂縫、變形等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)、分布式檢測(cè)。共六十五頁(yè)60 目前，應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測(cè)。加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量(cling)的橋梁之一（1993年），16個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料