第4章 波长调制型光纤传感器ppt课件.ppt

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1、光纤光栅波长调制型光纤传感器FiberOpticSensorsLecture6光纤传感器的分类功能型按照被调制的光波参数强度调制型相位/频率调制型波长调制型偏振调制型入射光波出射光波入射光波的特征参量：波长外界因素：温度，压力，电磁场，位移5.5波长调制机理引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型光纤光栅－功能型光纤光栅～反射镜应用领域－通信、传感、信息处理光通信器件半导体激光器、光纤激光器光纤放大器、滤波器波分复用/解复用器色散补偿传感光学信息补偿－光学Four

2、ier变换、相位阵列天线传感应用光纤光栅传感器优点：抗干扰能力强，稳定、可靠传感头结构简单、体积小测量重复性好可实现绝对测量便于规模生产、成网不足：解调系统昂贵、动态范围受限光纤的光敏性历史1978年，加拿大K.O.Hill，488nm1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG载氢掺锗光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩光敏性类型：I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃光

3、栅的生命周期与稳定性5.5.*光纤光栅的主要类型光纤Bragg光栅(FBG)ncnclλB5.5.*光纤光栅的主要类型cont’d长周期光栅LPG导模包层模，损耗宽带透射谱－增益平坦灵敏制造－振幅模板、逐点写入法CORECLADDING5.5.*光纤光栅的主要类型cont’d啁啾光栅（chirped）结构：周期沿光纤轴向变化－线性、非线性宽带反射谱：可达100nm应用色散补偿：100km（at1550nm）的色散3.6cm宽带滤波器增益平坦CORECLADDING短长5.5.*光纤光栅的主要类

4、型cont’d闪耀光栅结构：波矢方向与光纤轴有一夹角模式耦合：导模包层模/异阶导模相位光栅FBG某些点处的周期性被破坏附加相移解复用器MAIN-MODESIDE-MODECORECLADDINGlr，为光栅写入时，距相位模版远端的距离l1CORECLADDINGl15.5.*FBG应变传感模型对于各向同性圆柱体－几点假设：光栅自身结构－纤芯+包层，忽略所有外包层的影响；石英光纤－理想弹性体，遵循虎克定律，且内部不存在切应变；紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光纤的各向同性特性；

5、所有应力均为静应力，不考虑随时间变化弹光效应弹性变形横向应力作用纵向应力作用5.5波长调制机理灵敏度：11pm测量范围：1％频率响应：可达1MHz应变测量布喇格波长温度测量灵敏度：1C10pm测量范围：200CFBG应变传感模型弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移NA=0.11012345光纤芯径（μm）相对灵敏度系数-0.0006-0.0004-0.0002NA=0.13NA=0.15NA=0.170NA=0.11光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不

6、同泊松比μ材料随厚度的增加造成的灵敏度饱和现象结论：欲提高光纤光栅的应变灵敏度系数，必须选用低弹性模量、高泊松比的涂敷材料进行保护。选用高弹性模量、低泊松比的金属材料进行涂敷，才能达到提高光栅稳定性的目的11.522.533.544.50246810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(1011/(N/m2))ν＝0.483E＝0.39×109E＝10×109E＝72×109E＝100×1091263450246810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(1011/(N/m2))E＝3.9×109ν＝

7、0.98ν＝0.70v＝0.483ν＝0.17光纤光栅增敏与去敏设计不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤光栅应力灵敏度系数的影响结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的材料1.051.061.071.080246810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))E＝86.5×109E＝90×109E＝110×109E＝120×1091.021.041.061.080246810×103涂层厚度（μm）应力灵敏度系数(10-11/(N/m2))ν＝0.98ν＝0.7v＝0.483ν

8、＝0.17非均匀涂敷对光栅光学性能的影响现象二次涂敷后－反射率随拉伸载荷的增加逐渐下降反射谱也逐渐加宽解释涂敷不均匀造成的chirp－非线性随机chirp光栅反射谱将发生随机展宽附加噪声解决方法涂敷材料选择严格控制二次涂敷工艺光纤光栅的保护和封装保护层对光纤光栅传感性能影响裸纤光栅的应变极限仅7860με二次涂敷前后光纤光栅标准应力拉伸实验宽谱光源光纤光栅光纤砝码■涂覆后－涂覆前1547.01546.91546.81546