学习情境六：波长调制型光纤传感器

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1、光纤光缆制备电信学院光电子技术专业主讲：张森一、学习目标★掌握波长调制传感原理★掌握光纤光栅的分类★掌握光纤布拉格光栅传感原理★了解光纤布拉格光栅在光纤传感器领域中的典型应用★了解长周期光纤光栅在传感器领域的应用★掌握光纤光栅折射率传感技术★掌握传光型波长调制光纤传感器★掌握光纤传感器用于智能材料及其结构学习情境六：波长调制型光纤传感器光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业二、学习内容6.1波长调制传感原理被测场/参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输的光波长改变；进而通过测量光波长的变化量来确定被测参量的传感方法即

2、为波长调制型传感。光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感信息的，其数学表达式为：（6-1）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业（1）抗干扰能力强。一方面是因为普通的传输光纤不会影响传输光波的频率特性（忽略光纤中的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。例如：光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性。因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。式中：neff

3、为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。这是一种波长调制型光纤传感器。它具有以下优点：光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业（2）传感探头结构简单，尺寸小（其外径和光纤本身等同），适于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。（3）测量结果具有良好的重复性。（4）便于构成多种形式的光纤传感网络。（5）可用于外界参量的绝对测量（在光纤光栅进行定标后）。（6）光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产。光纤光栅由于具有上述诸多优点，因而得到广泛的应用。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业它也存在一些不足之处，例如，对波长漂

4、移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和功态范围也受到一定限制等。6.2光纤光栅的分类在光纤光栅出现至今的短短二十多年里，由于研究的深入和应用的需要，各种用途的光纤光栅层出不穷，种类繁多，特性各异。因此也出现了多种的分类方法，归结起来主要是从光纤光栅的周期、相位和写入方法等几个方面对光纤光栅进行分类。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业一般实际应用中，均按光纤光栅周期的长短分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅两大类。周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉

5、格光栅或反射光栅（fiberBragggrating，FBG）；而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅（long-periodgrating，LPG），又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的两个芯模之间发生耦合，属于反射型带通滤波器，如图6.1所示，其反射谱如图6.3（a）所示。长周期光纤光栅光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器，如图6.2所示，其透射光谱如图6.3（b）所示。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性

6、专业光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业6.3光纤布拉格光栅传感原理由光纤光栅的布拉格方程可知，光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参量发生变化的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。真是基于这一点，一种新型、基于波长漂移检测的光纤传感机理被提出并得到了广泛应用。在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，最直接的为应力、应变和温度等参量。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业因为无论是对光栅进行拉伸还是挤压，都势必导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应使得

7、有效折射率neff也随外界应力状态的变化而变化。同理，环境温度的变化也会引起光纤类似的变化。因此利用光纤布拉格光栅制成的光纤应力应变传感器以及光纤温度传感器，就成了光纤光栅在光纤传感器领域中最直接的应用。应力引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给与描述：（6-2）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业式中△Λ表示光纤本身在应力作用下的弹性变形；△neff表示光纤的弹光效应。外界不同的应力状态将导致△Λ和△neff的不同变化。一般情况下，由于光纤光栅属于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力可在柱坐标系下分解为σr，σθ和σz三个方向。

8、只有σz作用的情况称为轴向应力作用，σr和σθ称为横向应力作用，三者同事存在为体应力作用。于此类似，环境温度的变化也会引起