光纤光栅传感器基本知识.ppt

光纤光栅传感器基本知识
一、简述
二、光学基本知识
三、光纤的光敏性
四、光纤光栅的写入
五、光纤光栅测量原理
六、光纤光栅的输入输出
七、实际传感系统的基本构成
八、光纤光栅传感器的优点
2
一、光纤光栅传感器简述
光纤光掺入具有较大紫外吸收系数的杂质；
增加纤芯与包层之间的热特性失配度等等
如载氢技术、光纤还原法、多种掺杂等
•光纤生命周期和热稳定性
般考虑热退化（即擦除温度）和机械强度。
四、光纤光栅的写入
• 写入方法
----可分为内部写入与外部写入（侧写）。
• 内部写入法
---射入光纤的激光经另一端反射镜反射后与入射光相干涉形成驻波，
在光纤内]形成了与驻波周期相一致的体积折射率光栅…Bragg光栅。
1978年由用内写入法发现了光纤的光敏性。
• 外部写入法
---分波面干涉法、逐点写入法、振幅掩模法、接触式相位掩模法、
非接触式相位掩模法。相位掩模法使规模化生产成为可能。
相位掩模法
该技术不仅提高了光栅的写入效率，而且通过改变两束相干光的夹角，
还可以改变光栅的周期，从而达到控制光纤光栅布喇格波长的目的。
紫外激光光束
金属掩模
相位掩模
干涉
光纤纤芯
光纤中写入光栅的相位掩模几何原理
9
相位掩膜技术
2009/6/17

五、光纤光栅测量原理
•相长干涉：当光入射到纤芯中，在折射率周期性变化的介质表面发生反射和透射。
当在不同界面上反射的光的光程差是某个波长的整数倍时，将发生相长干涉，
由此可得布拉格条件。反射峰非常窄。
• Bragg 条件： B  2neff 
式中： B ---Bragg 波长;
neff ---光栅的---光栅周期,即折射率调制的空间周期有效折射率，
即折射率调制幅度大小的平均效应;

•传感原理：Bragg光栅的反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定，
而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数等参数的函数。任何使这些参量发
生改变的物理过程（如：温度、应力等）都将引起光栅Bragg波长的漂移。建立
并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，即可由光纤布拉格中心波长的
变化获得被测量。
布拉格反射
反
射
功
率
波长


B
T
kT

传感模型：光纤光栅的传感模型有 ：应变传感模型 、温度传感模型 、动态
磁场传感模型。通常，可以只考虑温度和应力的影响。
 基本公式：   k  T  k   
 B
其中：B 为布拉格波长， T 为温度变化量，  为应力变化量；
灵敏度系数， k 为应变响应灵敏度系数。
为温度响应
交叉敏感问题：利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度
的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过解二元线性方程组来获得外
界温度变化和应力变化量。
如使其中一条光纤光栅不受应力影响，上述方程组可得到简化，成了温度补
偿。反之，亦可构成应力补偿。
利用响应灵敏度不同的两条光纤光栅，测量同一
环境中的温度和应力，解线性方程组得到被测温
度和应力
B1
B1
B 2
B 2
 KT 1T  K 1
 KT 2 T  K 2
六、光纤光栅的输入输出
七、光纤光栅传感系统的基本构成
• 基本构成：宽带光源、分路器、光纤光栅、解调器
• 其余：除此之外光纤光栅传感系统还包括如下几个方面：
（1）光纤光栅网络系统：
该系统的功能是通过光缆将多个探头串接起来，并构成传感器矩阵，
形成传感器网络。
（2）光纤通讯传输网络：
不同位置的监测点可以使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息
处理及分析系统上。
（3）信息处理及分析系统：
该系统由光纤光栅传感探测信号处理器以及计算机软件构成，信号处理
器系统功能包括系统的信息收集、处理和传送，计算机软件系统包括信
息处理、分析、传送、储存管理、预警、报警功能。
基本构成
单个测量系统构成
多个测量系统构成
八、光纤光栅传感器的优点
• 低耗传输（ ）
• 抗电磁干扰（光传输，频率远高于电磁波）数字编码
• 化学稳定，电绝缘性能好，抗腐蚀，特别适合于恶劣
和高危环境中应用光纤所用的材料为石英玻璃、氟化物
或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（即有机玻璃）
• 质轻、径细、柔韧、成本低
（可埋入被测对象内，对环境影响小，安装简单）
• 绝对测量，可自校准，重复性好
•